DE102022127259A1

DE102022127259A1 - Verfahren sowie Vorrichtung zur Abbildung eines Strahls auf ein Objekt und Verfahren zum Einbringen einer Öffnung in ein Werkstück mittels dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE102022127259A1
Application number: DE102022127259.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Boenke; Roman Ostholt; Norbert Ambrosius; Stefan Quach
Original assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Current assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Priority date: 2022-10-18
Filing date: 2022-10-18
Publication date: 2024-04-18
Also published as: WO2024083393A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbilden wenigstens eines Strahls (1) auf ein Objekt (2), wobei der Strahl (1) über dessen Strahlengang (3) durch eine optische Anordnung (4) mittels wenigstens zwei optischen Scannern (6) zumindest zweimal den Strahlengang (3) des Strahls (1) verändernd abgelenkt wird und der Strahl (1) nach dessen Ablenkung zudem mittels einer Abbildungsoptik (7) auf das Objekt (2) abgebildet und durch das Abbilden mittels der Abbildungsoptik (7) ein Fokusbereich (8) des Strahls (1) auf und/oder in das Objekt (2) gelegt wird. Dabei wird mittels der Scanner (6) wenigstens eine Schwenkbewegung eines Strahlabschnitts (9) des Strahls (1) erzeugt, bei welcher der Pivotpunkt (10) des Strahlabschnitts (9) im Strahlengang (3) vor oder in der Abbildungsoptik (7) liegt und die Schwenkbewegung und/oder zumindest eine Drehbewegung (15) um den Pivotpunkt (10) eine Bewegung des Fokusbereichs (8) in zumindest eine Raumrichtung (X) senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik (7) bewirkt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einbringen wenigstens einer Öffnung in das als Werkstück (11) aus einem transparenten Material ausgebildete Objekt (2) mittels des vorstehend genannten Verfahrens sowie eine Vorrichtung zur Abbildung des Strahls (1) auf dem Objekt (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Abbilden wenigstens eines Strahls auf ein Objekt, wobei der Strahl über dessen Strahlengang durch eine optische Anordnung mittels wenigstens zwei optischen Scannern zumindest zweimal den Strahlengang des Strahls verändernd abgelenkt wird und der Strahl nach dessen Ablenkung zudem mittels einer Abbildungsoptik auf das Objekt abgebildet und durch das Abbilden mittels der Abbildungsoptik ein Fokusbereich des Strahls auf und/oder in das Objekt gelegt wird.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einbringen wenigstens einer Öffnung in das als Werkstück aus einem transparenten Material ausgebildete Objekt mittels des vorstehend genannten Verfahrens.
Aufgrund seiner optischen, elektrischen sowie chemischen und mechanischen Eigenschaften eignet sich Glas in sehr hohem Maße dazu, beispielsweise Silizium nicht nur als Träger, sondern auch als unmittelbar strukturiertes Volumenmaterial bei vergleichsweise geringen Kosten zu ersetzen, sodass sich eine große Breite an Anwendungsmöglichkeiten erschließt. Diese reichen dabei z. B. von der Mikro- respektive Nanoelektronik über mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sowie der Anwendung im Bereich der Mikrofluidik bis hin zur Verwendung im Packaging von Systemen. Eine bedeutende Voraussetzung hierfür stellt jedoch die Verfügbarkeit eines Glasbearbeitungsverfahrens dar, mittels welchem eine Erzeugung präziser Strukturen sehr geringer Abmessungen im Glas und somit eine Mikrobearbeitung des Glases bei bevorzugt hoher Formfreiheit der Strukturen in Verbindung mit geringen Bearbeitungszeiten ermöglicht wird.
Grundsätzlich sind aus dem Stand der Technik bereits vielfältige Glasbearbeitungsverfahren bekannt, wobei unter anderem Trennschleif-, Ätz- oder Laserablationsverfahren zur Bearbeitung des Glases eingesetzt werden. Diese Verfahren weisen nachteilig jedoch teils hohe Bearbeitungszeiten bei geringer Formfreiheit auf. Zum Teil werden durch die genannten Verfahren auch unerwünschte Defekte in das Glas eingebracht, welche beispielsweise in Form von Chipping, Mikrorissen oder thermisch induzierten Spannungen vorliegen.
Ein darüber hinaus aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren, welches diese Nachteile nicht aufweist, besteht in der Mikrobearbeitung des Glases mittels eines laserinduzierten Tiefenätzens. Ein solches Verfahren ist dabei unter der Bezeichnung LIDE (Laser Induced Deep Etching) bekannt geworden. Das LIDE-Verfahren ermöglicht hierbei das Einbringen von überaus präzisen Strukturen bei äußerst geringen Bearbeitungszeiten und schafft somit die Voraussetzungen für den vermehrten Einsatz von Glas als Werkstoff in den eingangs genannten Anwendungen.
Das LIDE-Verfahren steht dabei im Kontrast zu einem als selektives laserinduziertes Ätzen auch unter der Bezeichnung ISLE (In-volume Selective Laser-induced Etching) bekannten Verfahren, welches zur Erzeugung von Strukturen aus und in transparenten Materialien geeignet ist. Hierfür wird Laserstrahlung im Inneren eines transparenten Materials wie Glas nahezu punktförmig fokussiert, wodurch das Material in einem kleinen Volumen von lediglich einigen Kubikmikrometern strukturell und/oder chemisch verändert wird. Die veränderten Volumina lassen sich anschließend mit einer um Zehnerpotenzen höheren Ätzrate ätzen als unverändertes Material. Aufgrund der durch die punktförmige Fokussierung des Laserstrahls vorliegenden, kleinen Volumina, welche verändert wurden, ist zur Strukturierung eine überaus hohe Anzahl an Pulsfolgen notwendig. Diese führen jedoch wiederum zu hohen Bearbeitungszeiten.
Hingegen wird bei dem, beispielsweise aus der WO 2014 / 161 534 A2 und der WO 2016 / 041 544 A1 bekannten, laserinduzierten Tiefenätzen ein transparentes Material, entsprechend insbesondere Glas, mittels eines Laserpulses oder einer Pulsfolge über einen länglichen Bereich entlang der Strahlachse modifiziert, sodass in einem anschließenden nasschemischen Ätzbad die Modifikation wiederum anisotrop geätzt wird. Die Modifikation erfolgt dabei häufig über die gesamte Dicke des transparenten Materials, beispielsweise über die gesamte Dicke einer Glasplatte.
Aus der WO 2021 / 239 302 A1 ist zudem ein gleichartiges Verfahren zum Einbringen einer Ausnehmung, beispielsweise eines Sacklochs, in ein transparentes Material mittels eines laserinduzierten Tiefenätzens bekannt, wobei die Modifikation des Materials ebenfalls über den gesamten länglichen Bereich der zu formenden Ausnehmung erfolgt. Die Modifikation wird dabei dadurch erzielt, dass der Fokusbereich des Laserstahls, im Gegensatz zu einer punktförmigen Ausgestaltung, in Strahlrichtung eine räumliche Ausdehnung und somit eine Strahlformung aufweist. Durch diese räumliche Ausdehnung respektive Verlängerung des Fokusbereichs des Laserstrahls in Strahlrichtung, ist eine zur Modifikation eines Bereichs über dessen Länge ausreichend hohe Intensität in das transparente Material einkoppelbar.
Die vorgenannten Ausgestaltungen des laserinduzierten Tiefenätzens, insbesondere jedoch die WO 2021 / 239 302 A1 beschreiben zudem das Modifizieren mehrerer parallel zueinander ausgerichteter Bereiche, teilweise überlappend, sodass z. B. auch größere, flächige Strukturen in einem transparenten Material ausformbar sind. Hierfür wird regelmäßig ein Laserkopf, welcher den die Modifikation bewirkenden Laserstrahl emittiert, entlang zumindest einer Linearachse verfahren und während des Verfahrens an den zu modifizierenden Bereichen wenigstens ein Laserpuls emittiert. Trotz der durch das laserinduzierte Tiefenätzen bereits bereitstellbaren, geringen Bearbeitungszeiten schränkt diese Ausgestaltung erzielbare, geringere Bearbeitungszeiten in nachteiliger Weise ein, da Beschleunigungen und Geschwindigkeiten von Linearachsen, insbesondere aufgrund hoher Massen, vergleichsweise begrenzt sind.
In diesem Zusammenhang ist es jedoch bereits aus dem Stand der Technik bekannt, einen Laserstrahl mittels eines optischen Scannersystems, beispielsweise mittels wenigstens eines Galvanometer-Scanners, abzulenken, um die von einem Laserstrahl in kurzer Zeitspanne überstreichbare Fläche zu erhöhen.
Die Verwendung von Scannersystemen zur Ablenkung von Laserstrahlen, welche eine zuvor genannte Strahlformung aufweisen, stellt sich jedoch, insbesondere in Kombination mit zur Abbildung des Laserstrahls auf das Material üblicherweise verwendeten Standardoptiken, als problematisch dar, da hierdurch eine Störung der Strahlformung des Laserstrahls hervorgerufen wird, sodass der verlängerte Fokusbereich nicht gewährleistet werden kann.
Zur Umgehung dieser Problematik werden jedoch bereits Lösungsansätze im Stand der Technik vorgeschlagen.
So sind aus der US 2014 / 0 008 549 A1 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erstellung eines volumetrischen Bilds einer Probe mit erweiterter Schärfentiefe durch eine Laser-Scan-Bildgebung bekannt. Hierfür wird ein Laserstrahl mit im Bereich des auszunehmenden Bilds verlängertem Fokusbereich verwendet, welcher über zwei Scannerspiegel flächig, d. h. in zwei Raumrichtungen abgelenkt wird. Zur Bereitstellung des verlängerten Fokusbereichs an der Probe wird aus dem zunächst durch eine Laserquelle emittierten Laserstrahl mittels eines Axicons ein Bessel-ähnlicher, nicht beugender Strahl generiert. Dieser wird vor einer jeweiligen Ablenkung mittels eines der zwei Scannerspiegel jeweils über eine Sammellinse in einen Ringstrahl mit auf dem Scannerspiegel liegendem Fokus transformiert, um Verzerrungen des Laserstrahls bei der Ablenkung zu vermeiden. Nach jeder Ablenkung wird der Stahl über eine achromatische Linse wiederum in einen nichtbeugenden Strahl rücktransformiert. Dieser wird für die Bereitstellung des Strahls mit verlängertem Fokusbereich zur Aufnahme der Probe erneut durch eine Sammellinse zum Ringstrahl fokussiert, wobei der Fokus auf die hintere Fokusebene des den Strahl auf die Probe abbildenden Objektivs gelegt ist. Mittels des abbildenden Objektivs erfolgt die wiederholte Transformation des Strahls in einen nicht beugenden, Bessel-ähnlichen Strahl, welcher an der Probe einen verlängerten Fokusbereich aufweist. Der hierbei gewählte komplexe optische Aufbau erzeugt in nachteiliger Weise jedoch Überlagerungen von Abbildungsfehlern, welche dem Strahl durch die Vielzahl an optischen Elementen eingeprägt werden. Zudem ist der für ein Mikroskopiesystem gewählte Aufbau aufgrund der teils notwendigen optischen Elemente weithin ungeeignet für eine im Bereich der Laserbearbeitung angesiedelte Anwendung.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche einen zur Verwendung an eine Laserbearbeitungsanwendung angepassten und darüber hinaus vereinfachten optischen Aufbau aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 sowie einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zum Abbilden wenigstens eines Strahls einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere eines Laserstrahls einer Laserstrahlung, auf ein Objekt vorgesehen. Ein solcher, insbesondere gepulster Strahl würde bevorzugt zunächst durch eine Strahlquelle, insbesondere eine Laserquelle, der optischen Anordnung emittiert werden.
Hierbei wird der insbesondere emittierte Strahl über dessen Strahlengang durch eine optische Anordnung mittels eines optischen Scannersystems der optischen Anordnung, den Strahlengang respektive eine Ausbreitungsrichtung des Strahls verändernd, abgelenkt. Dafür weist das Scannersystem wenigstens zwei optische Scanner auf, über welche der Strahl zumindest zweimal mit vorgegebenem und/oder vorgebbarem, variablem Winkel abgelenkt wird.
Der Strahl respektive die Strahlung unterliegt dabei vor und/oder zwischen einer jeweiligen Ablenkung keiner weiteren Brechung. Somit durchtritt der Strahl zumindest zwischen einer jeweiligen Ablenkung kein weiteres den Strahl insbesondere brechendes optisches Element, wie z. B. eine Sammellinse, was den optischen Aufbau deutlich vereinfacht und unerwünschte Abbildungsfehler vermeidet. Eine hierdurch beim Ablenken des Strahls hervorgerufene Störung einer gegebenenfalls vorhandenen Strahlformung bedarf jedoch einer Korrektur.
So wird der Strahl nach dessen Ablenkung erfindungsgemäß mittels einer Abbildungsoptik auf das Objekt abgebildet, wobei durch das Abbilden mittels der Abbildungsoptik ein Fokusbereich des Strahls auf und/oder in das Objekt gelegt wird. Dabei ist erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, dass mittels des Scannersystems wenigstens eine Schwenkbewegung eines aus dem Scannersystem austretenden Strahlabschnitts des Strahls erzeugt wird, bei welcher der Pivotpunkt oder Drehpunkt des Strahlabschnitts im Strahlengang vor oder in der Abbildungsoptik liegt. Hierbei bewirkt die Schwenkbewegung und/oder zumindest eine Drehbewegung um den Pivotpunkt eine Bewegung des Fokusbereichs in zumindest eine Raumrichtung senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik. Dadurch, dass der Pivotpunkt des Strahlabschnitts vor und/oder in der Abbildungsoptik gelegt wird, werden dem Strahl durch die Ablenkung eingeprägte, unerwünschte Abbildungsfehler gewinnbringend vermieden. Dies insbesondere ohne die Verwendung spezieller Abbildungsoptiken zur Vermeidung solch unerwünschter Abbildungsfehler. Hingegen lassen sich als Abbildungsoptik üblicherweise für die Abbildung des Strahls auf das Objekt verwendete Standardoptiken einsetzen.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Einbringen wenigstens einer Öffnung, insbesondere einer Ausnehmung und/oder einer Durchbrechung, in das als Werkstück, hierbei bevorzugt als ein Substrat, aus einem transparenten Material, insbesondere Glas, ausgebildete Objekt vorgesehen. Dabei wird mittels des vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abbilden des Strahls wenigstens im Fokusbereich des Strahls, insbesondere jedoch ausschließlich im Fokusbereich des Strahls, eine Modifikation des Materials des Werkstücks erzeugt. Dies, ohne dass es dabei zu einem Abtrag des Materials infolge des Einwirkens der Strahlung des Strahls kommt, sodass anschließend die Öffnung durch die Einwirkung eines ätzenden Mediums durch einen anisotropen Abtrag des Materials in dem jeweiligen Bereich der Modifikation in dem Werkstück erzeugt wird. Der Abtrag des Materials entsteht daher ausschließlich infolge der Ätzwirkung des ätzenden Mediums und nicht in direkter Folge der Einwirkung des Strahls respektive der Strahlung des Strahls. Obwohl die Ätzrate der Modifikation oder Modifikationen um mehrere Zehnerpotenzen höher liegt als die eines unmodifizierten Materials, kann das Werkstück zusätzlich mit einer Maskierung, insbesondere einer Ätzmaske, bevorzugt aus einem strukturierten Fotoresist, versehen sein, in welcher die zu ätzenden Bereiche freigelegt sind.
Eine jeweilige Modifikation würde bevorzugt durch zumindest einen Puls des Strahls erzeugt werden, wobei zur Erzeugung mehrerer, z. B. an sich unterscheidenden Positionen auf dem Werkstück befindender Modifikationen der Strahl respektive der Fokusbereich des Strahls zwischen den Pulsen des Strahls durch das Ablenken über das Werkstück bewegt wird. Derart lassen sich über das Werkstück nicht zusammenhängende oder zusammenhängende, auch überlappende Modifikationen im Werkstück erzeugen, welche bei dem nachfolgenden Einwirken des Ätzmediums entfernt werden und die wenigstens eine Öffnung im Werkstück bilden. Durch das Erzeugen mehrerer zusammenhängender Modifikationen lassen sich somit, entsprechend aus einer Vielzahl an einzelnen Öffnungen zusammengesetzte, Strukturen mit hoher Formfreiheit im Werkstück formen.
Durch das zum Erzeugen einer Vielzahl an Modifikationen genutzte Bewegen des Fokusbereichs durch das Ablenken über die optischen Scanner lässt sich zudem eine deutliche Verringerung der Bearbeitungszeiten bei vorliegender, hoher Formfreiheit, insbesondere im Vergleich mit einem standardmäßigen LIDE-Verfahren, erzielen.
Der dabei durch die Ablenkung des Strahls und somit der Bewegung des Fokusbereichs überdeckbare Bereich je Raumrichtung, in welchem folglich auch die Modifikationen, insbesondere ohne Überlagerung einer weiteren Bewegung erzeugbar wären, kann z. B. bis zu Plus/Minus zehn Millimeter um eine Mittelachse oder einen Mittelpunkt betragen. Dies bei einem äußerst geringen Positionsfehler des Fokusbereichs und demnach der Modifikationen von weniger als zehn Mikrometern.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine jeweilige Drehbewegung des Strahlabschnitts um - ausschließlich - eine Drehachse des Pivotpunkts und somit eine jeweilige lineare Bewegung des Fokusbereichs in eine - einzige - Raumrichtung über zwei zusammenwirkende und den Strahl im Strahlengang ablenkende Rotationsbewegungen zweier optischer Scanner um deren zwei zueinander parallele Rotationsachsen durchgeführt. Die beiden Scanner bilden dabei ein Scannerpaar. Durch die Verwendung zweier Scanner mit parallel zueinander ausgerichteten Rotationsachsen zur Bewegung des Fokusbereichs des Strahls in eine einzige Raumrichtung lassen sich in vorteilhaft einfacher Weise unerwünschte Abbildungsfehler des Strahls und hierbei insbesondere des Fokusbereichs, welche bei der Verwendung lediglich eines Scanners auftreten würden, gewinnbringend minimieren oder gar vermeiden.
Überaus gewinnbringend stellt sich eine Ausführung der Erfindung zudem dann dar, wenn zur linearen Bewegung des Fokusbereichs in zwei Raumrichtungen zwei Drehbewegungen des Strahlabschnitts um, insbesondere senkrecht aufeinander stehende, Drehachsen des Pivotpunkts überlagert werden. So ließe sich der Fokusbereich des Strahls respektive der auf dem Objekt oder Werkstück auftreffende Strahl nicht nur lediglich entlang einer Linie sondern auch zweidimensional, über eine Fläche bewegen. Zur Durchführung der beiden Drehbewegungen des Strahlabschnitts um den Pivotpunkt würde der Strahl je Drehbewegung über zwei und somit insgesamt über vier Rotationsachsen zu zwei Gruppen aus zwei Rotationsachsen abgelenkt, wobei die Rotationsachsen der zwei Gruppen senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Die Rotationsachsen würden entsprechend durch die optischen Scanner bereitgestellt, wobei eine Gruppe aus zwei Rotationsachsen folglich über ein Scannerpaar ausgebildet wäre.
Ferner ist in einer Erfolg versprechenden Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die zwei, eine Drehbewegung des Strahlabschnitts um - ausschließlich - eine Drehachse des Pivotpunkts bewirkenden, zusammenwirkenden und den Strahl im Strahlengang ablenkenden, Rotationsbewegungen eines Scannerpaars asynchron ausgebildet sind. Durch diese asynchrone Bewegung lässt sich in vorteilhafter Weise die Schwenkbewegung des Strahls um wenigstens einen Scanner des Scannerpaars, hierbei insbesondere den im Strahlengang des Strahls zweiten oder hinteren Scanner des Scannerpaars bewirken. Dabei sollte sich wenigstens eine der Größen Absolutwinkel, Winkelgeschwindigkeit und/oder Winkelbeschleunigung der Scanner, insbesondere eines Ablenkelements der Scanner voneinander unterscheiden.
Es sei zudem erwähnt, dass grundsätzlich die Möglichkeit besteht, dass der im Rahmen wenigstens eines der Verfahren ausgebildete Strahl im Allgemeinen, insbesondere jedoch im Fokusbereich des Strahls am und/oder im Objekt respektive Werkstück einen Gauß'schen Fokus aufweist. Dies entspräche somit einer Ausgestaltung ohne eine Strahlformung des Strahls und somit einem verlängerten Fokusbereich. Möglicherweise auftretende Abbildungsfehler ließen sich dennoch vorteilhaft vermeiden.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass dem Strahl bei dessen Strahlengang durch die optische Anordnung mittels einer Strahlformungsoptik eine Strahlformung aufgeprägt wird, wodurch am und/oder im Objekt ein in Richtung des Strahlengangs verlängerter Fokusbereich abgebildet wird, welcher sich über zumindest einen Teil einer in Richtung des Strahlengangs ausgebildeten Abmessung des Objekts erstreckt. Mittels des verlängerten Fokusbereichs ließen sich wie bereits eingangs erwähnt, z. B. die Bearbeitungszeiten des insbesondere als Werkstück ausgebildeten Objekts im Rahmen eines somit vorliegenden LIDE-Verfahrens gegenüber einem punktförmigen Fokus deutlich verringern und somit der Durchsatz steigern.
Die Strahlformung kann dabei durch eine Strahlformungsoptik erfolgen, welche beispielsweise als ein Axicon, ein diffraktiv-optisches Element (DOE) oder als ein räumlicher Modulator für Licht, auch als Spatial Light Modulator (SLM) bekannt, ausgeführt ist. Hierüber ließe sich der Strahl insbesondere als ein Bessel-ähnlicher Strahl ausgestalten. In weithin bevorzugter Ausführung würde die Strahlformung jedoch in einem Aufprägen einer sphärischen Aberration erfolgen, was ebenfalls einen verlängerten, insbesondere zigarrenförmigen, Fokusbereich des Strahls bewirkt. Für eine solche Strahlformung sollte das Strahlformungselement bevorzugt als eine insbesondere planparallele Quarzplatte ausgeführt sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung erfolgt das Aufprägen der Strahlformung mittels der Strahlformungsoptik zudem vor dem Eintritt des Strahls in das optische Scannersystem der Anordnung. Derart lässt sich die Entstehung von Abbildungsfehlern durch eine Formung eines abgelenkten und somit insbesondere unter einem Winkel auf das Strahlformungselement auftreffenden Strahls vermeiden.
Eine überaus praxisgerechte Gestaltung der Erfindung liegt ferner darin begründet, dass ein jeweiliger Fokusbereich des sich in seinem Strahlengang durch die optische Anordnung aufgrund der Ablenkung verändernden Strahls durch die Abbildungsoptik auf eine - einzige, insbesondere gemeinsame - Fokusebene abgebildet wird, auf der der jeweilige Fokusbereich liegt oder von der sich der jeweilige Fokusbereich in das Objekt erstreckt. Durch den somit stets auf der Fokusebene liegenden oder sich von der Fokusebene erstreckenden Fokusbereich kann vorteilhaft eine auf das Objekt und insbesondere das Material des Werkstücks einwirkende Intensität des Strahls im Fokusbereich gewährleistet werden. Dadurch bedingt sich auch ein gleichmäßiges respektive gleichartiges Erzeugen mehrerer Modifikationen im Material des Werkstücks. Hierfür sollte die Abbildungsoptik bevorzugt als wenigstens ein f-Theta Objektiv ausgeführt sein.
In nicht minder gewinnbringender Ausgestaltung sieht die Erfindung darüber hinaus vor, dass das Abbilden eines jeweiligen Fokusbereichs durch die Abbildungsoptik telezentrisch erfolgt. Derart wäre der Fokusbereich des Strahls stets parallel zur optischen Achse der Abbildungsoptik ausgerichtet, wodurch sich stets gleichgerichtete und sich somit in ihrer Winkelausrichtung im Werkstück nicht unterscheidende Modifikationen im Werkstück erzeugen lassen. Dies bei entsprechender Ausrichtung des Objekts respektive des Werkstücks insbesondere senkrecht zur Oberfläche des Objekts respektive des Werkstücks. Hierfür sollte die Abbildungsoptik bevorzugt als wenigstens ein telezentrisches f-Theta Objektiv ausgeführt sein.
Ebenso wird eine besonders vielversprechende Weiterbildung der Erfindung dadurch beschrieben, dass die - lineare Bewegung des Fokusbereichs in zumindest eine Raumrichtung mit wenigstens einer zusätzlichen Bewegung, insbesondere einer Linearbewegung, einer Verfahrachse überlagert wird. Hierbei ist die Verfahrachse Teil einer Vorrichtung, wobei an der Verfahrachse wiederum wenigstens ein Teil der der Vorrichtung zugehörigen optischen Anordnung angeordnet ist. Die Verfahrachse ist dabei insbesondere als eine Linearachse ausgebildet. Durch die Kombination der Bewegung des Fokusbereichs durch das Ablenken des Strahls über insbesondere ein oder zwei Scannerpaare mit der zusätzlichen Bewegung wenigstens einer Verfahrachse lassen sich auch Werkstücke bearbeiten, deren Abmessungen über die maximal mögliche Ablenkung der Strahlen respektive den daraus resultierenden, möglichen Bewegungsabschnitt des Fokusbereichs hinausgeht und sich somit das Werkstück bevorzugt über seiner gesamte Ausdehnung mit zudem sehr hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten und somit niedrigen Bearbeitungszeiten bearbeiten lässt. Zudem lassen sich Modifikationen im Werkstück erzeugen, welche vereinzelt und/oder zusammenhängend einer quasi beliebigen Bahnkurve, z. B in Form eines Splines, folgen. Die jeweiligen, möglichen Bewegungsrichtungen der Bewegung des Fokusbereichs und der Verfahrachse müssen dabei nicht parallel und/oder senkrecht zueinander ausgerichtet sein. Denkbar ist hingegen eine Ausrichtung in einem quasi beliebigen Winkel, beispielsweise einem Winkel von 45 Grad.
Insbesondere im Zusammenhang mit der vorstehenden Weiterbildung, jedoch ebenso im Allgemeinen, ist eine Ausführung der Erfindung als mit Vorteil behaftet anzusehen, bei welcher durch die Überlagerung der - linearen - Bewegung des Fokusbereichs in zumindest eine Raumrichtung mit der wenigstens einen zusätzlichen - linearen - Bewegung der Verfahrachse, die zusätzliche Bewegung der Verfahrachse wenigstens teilweise korrigiert und/oder wenigstens teilweise kompensiert wird. Bei gleichgerichteten Bewegungsrichtungen des Fokusbereichs und der Verfahrachse ließe sich derart die Bewegung des Fokusbereichs insbesondere in Redundanz zu der Bewegung der Verfahrachse überlagern und somit beispielsweise eine Auflösung der Positionierung von Modifikationen gegenüber der durch die Verfahrachse selbst bereitgestellten Auflösung im Werkstück erhöhen. Zudem kann die Bewegung der Verfahrachse auch vollständig durch die Bewegung des Fokusbereichs kompensiert werden. Die beispielsweise dann, wenn in die Bewegungsrichtung der Verfahrachse mehrere Modifikationen an exakt gleiche Position oder an gleicher Position, jedoch mit einem Versatz z. B. quer zur Bewegungsrichtung der Verfahrachse im Werkstück erzeugt werden sollen. Eine sehr hohe Formfreiheit im Werkstück erzeugter Strukturen lässt sich somit mit herausragender Präzision gewährleisten.
Ferner ist erfindungsgemäß zudem auch eine Vorrichtung mit einer optischen Anordnung, insbesondere zur Durchführung zumindest eines der vorstehend erläuterten Verfahren angedacht. Hierbei weist die optische Anordnung der Vorrichtung eine Strahlquelle, insbesondere eine Laserquelle, zum Emittieren eines Strahls einer elektromagnetischen Strahlung, hierbei insbesondere eines Laserstrahls einer Laserstrahlung, und ein optisches Scannersystem auf. Das Scannersystem ist seinerseits über wenigstens zwei optische Scanner mit je zumindest einem rotierbaren Ablenkelement zur Ablenkung des Strahls ausgeführt. In diesem Zusammenhang ist auszuführen, dass im Strahlengang zwischen den Scannern kein weiteres, insbesondere optisch brechendes Element angeordnet ist. Darüber hinaus weist die optische Anordnung wenigstens eine Abbildungsoptik auf, durch welche der Strahl auf ein Objekt abbildbar und durch das Abbilden mittels der Abbildungsoptik ein Fokusbereich des Strahls auf und/oder in das Objekt legbar ist. Erfindungsgemäß bilden hierbei je zwei Scanner ein Scannerpaar, wobei die Rotationsachsen der einem jeweiligen Scannerpaar zugehörigen Scanner zueinander parallel ausgerichtet sind. Die optische Anordnung weist dabei wenigstens ein Scannerpaar oder zumindest zwei, bevorzugt ausschließlich zwei, Scannerpaare auf. Es ist zu beachten, dass die Rotationsachsen respektive die Gruppen der Rotationsachsen der Scanner der unterschiedlichen Scannerpaare jedoch senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich vorteilhaft wenigstens ein Teil der erfindungsgemäßen Verfahren durchführen, wobei ein deutlich vereinfachter optischer Aufbau der optischen Anordnung vorliegt. So lassen sich unerwünschte Abbildungsfehler vermeiden und zugleich beim Ablenken des Strahls hervorgerufene Störungen einer gegebenenfalls vorhandenen Strahlformung korrigieren, indem ein Pivotpunkt oder Drehpunkt eines aus dem Scannersystem austretenden Strahlabschnitt des Strahls über das Scannersystem im Strahlengang vor oder in die Abbildungsoptik legbar ist. Neben der optischen Anordnung würde die Vorrichtung zudem wenigstens eine Verfahrachse aufweisen, an welcher zumindest ein Teil der optischen Anordnung angeordnet ist.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die optische Anordnung zudem eine Strahlformungsoptik auf, mittels der dem Strahl eine Strahlformung aufprägbar ist. Die Strahlformungsoptik ist wie bereits zuvor erläutert beispielsweise als ein Axicon, ein diffraktiv-optisches Element (DOE), als ein räumlicher Modulator für Licht, auch als Spatial Light Modulator (SLM) bekannt, oder als eine insbesondere planparallele Quarzplatte ausführt und/oder bevorzugt nach der Strahlquelle und vor dem optischen Scannersystem angeordnet.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind einige davon in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese Zeichnungen zeigen in

1 eine Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2a bis 3b Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren.

Die 1 zeigt eine Weiterbildung einer optischen Anordnung 4, wobei die optische Anordnung 4 die Strahlquelle 19 zum Emittieren des Strahls 1, die Strahlformungsoptik 16, das Scannersystem 5 aufweisend die zwei optischen Scanner 6 mit je einem rotierbaren Ablenkelement, hier einem Spiegel, zur Ablenkung des Strahls 1 sowie die Abbildungsoptik 7 aufweist.
Nach dem Austritt des Strahls 1 aus der Strahlquelle 19 wird dem Strahl 1 mittels der im Strahlengang 3 auf die Strahlquelle 19 folgenden Strahlformungsoptik 16 eine Strahlformung aufgeprägt.
Der Strahl 1 wird sodann durch das im Strahlengang 3 auf die Strahlformungsoptik 16 folgende optische Scannersystem 5 zweimal mit vorgegebenem, variablem Winkel, jeweils den Strahlengang 3 des Strahls 1 verändernd, abgelenkt, um an verschiedenen Positionen auf dem Werkstück 11 abgebildet zu werden und dabei im Fokusbereich 8 des Strahls 1 eine Modifikation 20 des Materials des Werkstücks 11 zu erzeugen, wobei der Fokusbereich 8 des Strahls 1 in der Weiterbildung der 1 in das Werkstück 11 gelegt ist. Die Ablenkung des Strahls 1 erfolgt dabei über die zwei Scanner 6 des Scannersystems 5.
Um nunmehr eine Störung der dem Strahl 1 über die Strahlformungsoptik 16 aufgeprägte Strahlformung zu vermeiden, wird mittels des Scannersystems 5 und hierbei insbesondere mittels des im Strahlengang 3 auf den ersten Scanner 6 folgenden und vor der Abbildungsoptik 7 angeordneten Scanners 6 eine Schwenkbewegung des aus dem Scannersystem 5 austretenden Strahlabschnitts 9 des Strahls 1 erzeugt, bei welcher der Dreh- oder Pivotpunkt 10 dieses Strahlabschnitts 9 im Strahlengang 3 in der Abbildungsoptik 7 liegt. Die Schwenkbewegung resultiert somit in der Drehbewegung 15 des Strahl 1 um den Pivotpunkt 10, wodurch in dieser Weiterbildung wiederum eine Bewegung des Fokusbereichs 8 in die Raumrichtung X senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik 7 bewirkt wird.
Es sei in diesem Zusammenhang kurz darauf hingewiesen, dass die 1 den Strahl 1 in einer sehr stark vereinfachten Form in seinem Strahlprofil aufzeigt, wobei zudem lediglich ein Strahlengang 3 des Strahls 1 dargestellt ist.
Die Besonderheit der zuvor lediglich im Kurzen angerissenen Ablenkung des Strahls 1 über das Scannersystem 5 liegt dabei darin, dass die Drehbewegung 15 des Strahlabschnitts 9 um die Drehachse 12 des Pivotpunkts 10 und somit auch die lineare Bewegung des Fokusbereichs 8 in die Raumrichtung X über zwei zusammenwirkende und dabei den Strahl 1 im Strahlengang 3 ablenkende Rotationsbewegungen 13 der Scanner 6 um deren zwei zueinander parallele Rotationsachsen 14 durchgeführt wird. Dabei bilden die beiden Scanner 6 ein Scannerpaar, wobei die Rotationsbewegungen 13 der Scanner 6 des Scannerpaars asynchron ausgebildet sind.
Durch das Aufprägen der Strahlformung und dem Abbilden der die Strahlformung aufweisenden Strahls 1 über die Abbildungsoptik 7 wird am respektive im Werkstück 11 ein in Richtung des Strahlengangs 3 verlängerter Fokusbereich 8 abgebildet, welcher sich in dieser Weiterbildung über die gesamte, in Richtung des Strahlengangs 3 ausgebildete Abmessung, hier die Dicke des Werkstücks 11 erstreckt. Der verlängerte Fokusbereich 8 bewirkt somit eine Modifikation 20 des Materials des Werkstücks 11 über die gesamte Dicke des Werkstücks 11, sodass durch einen auf die Modifikation 20 folgenden Ätzschritt eine Öffnung, hier eine Durchbrechung des Werkstücks 11 erzeugt wird.
Um bei mehreren, an unterschiedlichen Positionen im Werkstück 11 zu erzeugenden Modifikationen 20 eine im Wesentlichen gleichbleibende, auf das Material des Werkstücks 11 einwirkende Intensität des Strahls 1 im Fokusbereich 8 gewährleisten zu können, wird der jeweilige eine Modifikation 20 erzeugende Fokusbereich 8 des zur Positionierung abgelenkten und sich somit in seinem Strahlengang 3 verändernden Strahls 1 durch die Abbildungsoptik 7 telezentrisch auf eine einzige Fokusebene 17 abgebildet, von der sich der jeweilige Fokusbereich 8 in das Werkstück 11 erstreckt.
Aus den 2a und 2b sowie 3a und 3b gehen zudem Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren hervor. Diese Figuren zeigen dabei, dass die Bewegung des Fokusbereichs 8 in die Raumrichtungen X, Y mit einer zusätzlichen Bewegung der Verfahrachse 18 in die Bewegungsrichtung Y', welches sich mit der Raumrichtung Y deckt, überlagert wird. Hierüber lassen sich in den Fokusbereichen 8 Modifikationen 20 im in 1 näher dargestellten Werkstück 11 erzeugen, welche wie in den 2a und 3a vereinzelt oder wie in den 2b und 3b ausgebildet sind.
Dabei ist es möglich, dass die Fokusbereiche 8 und somit die Modifikationen 20 wie in den 2a und 2b dargestellt einer quasi beliebigen Bahnkurve, hier in Form eines Splines, folgen, sodass je nach Pulsfolge des in 1 dargestellten Strahls 1, wie in 2a, einzelne Öffnungen oder, wie in 2b, Schnitte durch eine Überlappung mehrerer Öffnungen im Werkstück 11 erzeugt werden. In der Weiterbildung der 2a und 2b wird dafür der Bewegung des Fokusbereichs 8 in lediglich die Raumrichtung X mit der Bewegung der Verfahrachse 18 in dessen Bewegungsrichtung Y' überlagert, wobei die Raumrichtung X und die Bewegungsrichtung Y' senkrecht aufeinander stehen.
Durch die Überlagerung der Bewegung des Fokusbereichs 8 in die Raumrichtungen X, Y mit der zusätzlichen Bewegung der Verfahrachse 18 in dessen Bewegungsrichtung Y' lässt sich zudem die zusätzliche Bewegung der Verfahrachse 18 wenigstens teilweise korrigieren und/oder wenigstens teilweise kompensieren.
So lässt sich, wie in 3a aufgezeigt, die Bewegung des Fokusbereichs 8 insbesondere in Redundanz zu der Bewegung der Verfahrachse 18 überlagern und somit beispielsweise eine Auflösung der Positionierung der Modifikationen 20 gegenüber der durch die Verfahrachse 18 selbst bereitgestellten Auflösung im Werkstück 11 erhöhen.
Zudem kann die Bewegung der Verfahrachse 18 auch vollständig durch die Bewegung des Fokusbereichs 8 kompensiert werden. Dies insbesondere dann, wenn, wie in 3b, in die Bewegungsrichtung Y' der Verfahrachse 18 mehrere Modifikationen 20 an gleicher Position, jedoch mit einem Versatz quer zur Bewegungsrichtung Y' in die Raumrichtung X im Werkstück 11 erzeugt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Strahl
2: Objekt
3: Strahlengang
4: optische Anordnung
5: Scannersystem
6: Scanner
7: Abbildungsoptik
8: Fokusbereich
9: Strahlabschnitt
10: Pivotpunkt
11: Werkstück
12: Drehachse
13: Rotationsbewegung
14: Rotationsachse
15: Drehbewegung
16: Strahlformungsoptik
17: Fokusebene
18: Verfahrachse
19: Strahlquelle
20: Modifikation
X, Y: Raumrichtung
Y': Bewegungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014161534 A2 [0007]
WO 2016041544 A1 [0007]
WO 2021239302 A1 [0008, 0009]
US 20140008549 A1 [0013]

Claims

Verfahren zum Abbilden wenigstens eines Strahls (1) einer elektromagnetischen Strahlung auf ein Objekt (2), wobei der Strahl (1) über dessen Strahlengang (3) durch eine optische Anordnung (4) mittels eines optischen Scannersystems (5) der optischen Anordnung (4), aufweisend wenigstens zwei optische Scanner (6), zumindest zweimal mit vorgegebenem und/oder vorgebbarem, variablem Winkel, jeweils den Strahlengang (3) des Strahls (1) verändernd, abgelenkt wird und der Strahl (1) zwischen einer jeweiligen Ablenkung keiner Brechung unterliegt, der Strahl (1) nach dessen Ablenkung zudem mittels einer Abbildungsoptik (7) auf das Objekt (2) abgebildet und durch das Abbilden mittels der Abbildungsoptik (7) ein Fokusbereich (8) des Strahls (1) auf und/oder in das Objekt (2) gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Scannersystems (5) wenigstens eine Schwenkbewegung eines aus dem Scannersystem (5) austretenden Strahlabschnitts (9) des Strahls (1) erzeugt wird, bei welcher der Pivotpunkt (10) des Strahlabschnitts (9) im Strahlengang (3) vor oder in der Abbildungsoptik (7) liegt und die Schwenkbewegung und/oder zumindest eine Drehbewegung (15) um den Pivotpunkt (10) eine Bewegung des Fokusbereichs (8) in zumindest eine Raumrichtung (X, Y) senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik (7) bewirkt.
Verfahren zum Einbringen wenigstens einer Öffnung in das als Werkstück (11) aus einem transparenten Material ausgebildete Objekt (2), wobei mittels des Verfahrens nach Anspruch 1 wenigstens im Fokusbereich (8) des Strahls (1) eine Modifikation (20) des Materials des Werkstücks (11) erzeugt wird, ohne dass es dabei zu einem Abtrag des Materials infolge des Einwirkens des Strahls (1) kommt, sodass anschließend die Öffnung durch die Einwirkung eines ätzenden Mediums durch einen anisotropen Abtrag des Materials in dem jeweiligen Bereich der Modifikation (20) in dem Werkstück (11) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Drehbewegung (15) des Strahlabschnitts (9) um eine Drehachse (12) des Pivotpunkts (10) und somit eine jeweilige lineare Bewegung des Fokusbereichs (8) in eine Raumrichtung (X, Y) über zwei zusammenwirkende und den Strahl (1) im Strahlengang (3) ablenkende Rotationsbewegungen (13) zweier ein Scannerpaar bildender optischer Scanner (6) um deren zwei zueinander parallele Rotationsachsen (14) durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur linearen Bewegung des Fokusbereichs (8) in zwei Raumrichtungen (X, Y) zwei Drehbewegungen (15) des Strahlabschnitts (9) um zwei Drehachsen (12) des Pivotpunkts (10) überlagert werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsbewegungen (13) der Scanner (6) eines Scannerpaars asynchron ausgebildet sind.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Strahl (1) über dessen Strahlengang (3) durch die optische Anordnung (4) mittels einer Strahlformungsoptik (16) eine Strahlformung aufgeprägt wird, sodass am und/oder im Objekt (2) ein in Richtung des Strahlengangs (3) verlängerter Fokusbereich (8) abgebildet wird, welcher sich über zumindest einen Teil der in Richtung des Strahlengangs (3) ausgebildeten Abmessung des Objekts (2) erstreckt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufprägen der Strahlformung mittels der Strahlformungsoptik (16) vor dem Eintritt des Strahls (1) in das optische Scannersystem (5) erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Fokusbereich (8) des sich in seinem Strahlengang (3) durch die optische Anordnung (4) aufgrund der Ablenkung verändernden Strahls (1) durch die Abbildungsoptik (7) auf eine Fokusebene (17) abgebildet wird, auf der der jeweilige Fokusbereich (8) liegt oder von der sich der jeweilige Fokusbereich (8) erstreckt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbilden eines jeweiligen Fokusbereichs (8) durch die Abbildungsoptik (7) telezentrisch erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Fokusbereichs (8) in zumindest eine Raumrichtung (X, Y) mit wenigstens einer zusätzlichen Bewegung einer einer Vorrichtung zugehörigen Verfahrachse (18), an welcher wenigstens ein Teil der der Vorrichtung zugehörigen optischen Anordnung (4) angeordnet ist, überlagert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Überlagerung der Bewegung des Fokusbereichs (8) in zumindest eine Raumrichtung (X, Y) mit der wenigstens einen zusätzlichen Bewegung der Verfahrachse (18), die zusätzliche Bewegung der Verfahrachse (18) wenigstens teilweise korrigiert und/oder wenigstens teilweise kompensiert wird.
Vorrichtung mit einer optischen Anordnung (4), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Anordnung (4) eine Strahlquelle (19) zum Emittieren eines Strahls (1) einer elektromagnetischen Strahlung, ein Scannersystem (5) aufweisend wenigstens zwei optische Scanner (6) mit je zumindest einem rotierbaren Ablenkelement zur Ablenkung des Strahls (1) und wenigstens eine Abbildungsoptik (7) aufweist, durch welche der Strahl (1) auf ein Objekt (2) abbildbar und durch das Abbilden mittels der Abbildungsoptik (7) ein Fokusbereich (8) des Strahls (1) auf und/oder in das Objekt (2) legbar ist, wobei im Strahlengang (3) zwischen den Scannern (6) kein weiteres optisches Element angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei Scanner (6) ein Scannerpaar bilden, deren Rotationsachsen (14) zueinander parallel ausgerichtet sind und die optische Anordnung (4) wenigstens ein Scannerpaar oder zumindest zwei Scannerpaare aufweist und hierbei die Rotationsachsen (14) der Scannerpaare senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (4) eine Strahlformungsoptik (16) aufweist, mittels der dem Strahl (1) eine Strahlformung aufprägbar ist.