EP4210896A1 - Verfahren zum trennen eines werkstücks - Google Patents
Verfahren zum trennen eines werkstücksInfo
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- EP4210896A1 EP4210896A1 EP21765888.9A EP21765888A EP4210896A1 EP 4210896 A1 EP4210896 A1 EP 4210896A1 EP 21765888 A EP21765888 A EP 21765888A EP 4210896 A1 EP4210896 A1 EP 4210896A1
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Definitions
- the present invention relates to a method for separating a workpiece along a separating line by means of laser pulses of a laser beam.
- the effectiveness of the cutting process can decrease due to shadowing and a change in the hole geometry, so that the energy of the laser is no longer sufficient to accomplish rapid material removal.
- the energy required for material removal increases with increasing processing depth, so that each point of a desired dividing line along which the workpiece is to be separated must be swept over several times by the laser beam, which means that the processing time is directly proportional to the number of passes.
- Devices are also known (WO 2020/016362A1) with which it is possible to use microlens arrays to form an arrangement of partial laser beams arranged next to one another along a line, the number of partial laser beams being possible by varying the distance between the various microlens arrays.
- the energy of the laser beam provided by the laser can be divided among a number of partial laser beams, so that the energy of the partial laser beams varies with the number of partial laser beams.
- this method is not intended for cutting a workpiece.
- a method for separating a workpiece along a separating line by means of laser pulses of a laser beam is proposed, the laser beam being split into a plurality of partial laser beams using beam splitter optics and each of the partial laser beams being focused onto the surface and/or into the volume of the workpiece using focusing optics, that the partial laser beams are arranged next to one another and spaced apart from one another along the parting line.
- material is removed by introducing the laser pulses into the workpiece along the parting line, and the laser power is adjusted for each partial laser beam as a function of the depth of removal achieved in the workpiece.
- the laser makes the laser pulses available, with the laser pulses moving along a beam axis defined by the optics of the laser, as a result of which the laser beam of the laser is made available accordingly along this beam axis.
- the laser is preferably a short-pulse laser that provides pulses in the nanosecond range, or one Ultrashort pulse laser that provides laser pulses in the picosecond or femtosecond range.
- Ultrashort pulse lasers emit laser pulses with a particularly high energy density on a small time scale, resulting in particularly sharp edges along the dividing line.
- the pulse length of an ultra-short laser pulse can, for example, be less than 100 ps, in particular less than 10 ps, particularly preferably less than 1.5 ps. However, the pulse length can also be longer than 300 fs, for example. Typically, the pulse length is 1 ps.
- the peak fluence, ie the intensity of either the incident laser beam or a partial laser beam can be between 0.3 J/cm 2 and 30 J/cm 2 , typically it is between 1 J/cm 2 and 5 J/cm 2 .
- the focal diameter of the incident laser beam or a partial laser beam can be between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m, and the focal diameter can particularly preferably be 9 ⁇ m.
- the focal diameter of a non-radially symmetric beam profile can be generally defined in terms of the second moments of the power density distribution of the beam profile, as described in ISO 11146-3 "Lasers and laser-related equipment - Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios - Part 3 : Intrinsic and geometrical laser beam classification, propagation and details of test methods”, whereby the shorter of the two main axes of the beam profile is assumed to be the focus diameter.
- the laser beam of the laser is guided through a beam splitter optics, which includes, for example, a beam splitter cube, which splits the incoming laser beam, for example, into two partial laser beams of equal intensity.
- beam splitter optics can also comprise an optical element which splits the beam into a plurality of partial laser beams and deflects the partial laser beams in such a way that all partial laser beams run parallel and at a specific distance from one another.
- a beam splitter optic can also comprise a number of optical elements, with one element splitting the incoming laser beam or beams into a number of partial laser beams and another element deflecting the partial laser beams in parallel directions.
- a beam splitter optic can ensure, for example, that an incoming laser beam is split into five or ten or more partial laser beams.
- a beam splitter optic also makes it possible to efficiently distribute high pulse energies of a pulsed laser into different partial laser beams, so that the efficiency of the machining process can be increased.
- all partial laser beams have the same laser energy, or have different laser energies.
- the fluctuation of the laser energy from partial laser beam to partial laser beam can be up to 50% or more.
- the partial laser beams can have an increase or decrease in the laser energy along one or more directions, so that the bundle of partial laser beams has an energy gradient.
- energy gradients can be generated in a targeted manner by means of coherent beam combinations, or individual spots can be switched off.
- the parting line is understood to mean the line along which the workpiece is to be separated.
- a dividing line can be provided in the form of a straight line, for example. However, a dividing line can also be a curved line. A dividing line can in particular also be part of a more complex dividing line or dividing geometry.
- the dividing line can, for example, only be a side line of the rectangle, but it can also be predetermined by the entire contour to be cut out.
- the partial laser beams are arranged next to one another and at a distance from one another along the dividing line.
- the distance between adjacent partial laser beams is the distance along the dividing line between the geometric centers of the partial laser beams. However, the distance can also be determined along the dividing line between the intensity maxima of adjacent partial laser beams.
- the start and end points of the distance measurement can also be those points at which the laser beam or the beam axis intersects the surface of the workpiece.
- the distance between adjacent partial laser beams can be the same for all adjacent partial laser beams.
- each partial laser beam can be 5 pm or 10 pm or 100 pm away from its neighbor.
- the distances between adjacent partial laser beams are of different sizes.
- a partial laser beam can have a distance of 5 pm or more from a neighbor, but only 3 pm or 10 pm or less from the other neighbor.
- flexible beam splitting in which the partial laser beams have adjustable distances, spot numbers and spot intensities, can also be implemented by coherent beam combining.
- each partial laser beam has only two direct neighbors since the partial laser beams are arranged along the dividing line.
- the number of partial laser beams and their distances can be selected such that partial laser beams are arranged at a distance from one another along the entire desired dividing line. In other words, the entire area to be separated, which is defined by the separating line, is covered with partial laser beams.
- Each partial laser beam is focused with focusing optics.
- the focusing optics can include, for example, lenses or other diffractive elements that deflect the partial laser beam in a converging manner into a focal zone. In particular, this means that the intensity of the partial laser beam is brought together in the focal zone to a minimum spatial area.
- the focusing optics can be provided individually for each partial laser beam, for example. However, all partial laser beams are preferably focused with a focusing optics.
- the focusing optics deflect partial laser beams, which fall on the focusing optics at different angles of incidence or which do not have parallel beam axes, onto parallel beam axes. In particular, this means that after passing through the focusing optics, all partial laser beams are oriented parallel to one another.
- the beam axes are deflected by the focusing optics onto beam axes that are to diverge or converge. This can be useful, for example, if shadowing effects of the material edge in the process zone are to be avoided during a material removal process.
- Such divergent beam axes can be realized, for example, with a non-telecentric lens or a non-telecentric optics structure.
- the focusing optics can be adapted to the beam splitter optics, so that the partial laser beams emerging from the beam splitter optics strike the focusing optics at different angles and are then oriented parallel to one another again by the focusing optics. This can be achieved, for example, when the beam splitter optics are at the focal point of the focusing optics.
- the focusing optics and the beam splitter optics can also be in conjugate planes.
- the partial laser beams can be focused onto the surface and/or into the volume of the workpiece. This means that the focal zone lies, for example, exactly on the surface of the material or lies below the surface of the material in the direction of the beam. All partial laser beams are preferably focused in the same plane. In a further development, in which separate focusing optics are provided for each partial laser beam, a partial laser beam can also be focused precisely onto the surface, for example, while another partial laser beam is focused into the volume of the material.
- the partial laser beams are focused by focusing optics so that each partial laser beam converges in a focal zone.
- the geometric focal zone can be given by a focal point in which the intensity maximum of the beam occurs.
- the geometric focal zone can also be the intensity maximum of a non-Gaussian beam, for example a beam with a flat-top focal zone or a non-diffracting beam such as a Bessel beam or a Bessel-like beam, in particular a Bessel-Gaussian beam.
- the shape of the focal zones can vary depending on the beam profile used.
- the introduction of the laser pulses into the workpiece along the dividing line can be tantamount to the laser pulses being completely or partially absorbed by the workpiece. For example, this can lead to the workpiece being heated considerably by the laser pulses. This can lead to the heated material of the workpiece detaching from the overall composite of the workpiece through melting or sublimation. In particular, this can mean laser ablation or laser drilling or laser cutting.
- the effectiveness of the cutting process can decrease with increasing processing depth when removing the material from the workpiece.
- the machining depth here is the distance from the original workpiece surface to the new workpiece surface in the trench along the parting line, which is created by the laser pulses of the partial laser beams by ablation processes.
- the processing depth along the dividing line can be of different depths, for example because the workpiece is not flat, or is placed unevenly on a workpiece holder, or because it has different densities, or has different layers that react differently to the introduced partial laser beams or to dig in
- the partial laser beams used for the trench have had different energies since the beginning of the process and, accordingly, a different removal rate of the individual areas of the dividing line processed by the respective partial laser beams has led to different processing depths.
- the effectiveness of the cutting process describes how much laser energy can be used to carry out which removal or what depth of removal. For example, the effectiveness of the cutting process with decrease with increasing processing depth, but the effectiveness of the cutting process can also increase depending on the workpiece condition.
- the laser power is adjusted for each partial laser beam, this can mean that more laser energy is introduced with each partial laser beam than with an unadjusted partial laser beam. However, it can also mean that less laser energy is introduced with each partial laser beam than with a non-adapted partial laser beam.
- the adjustment of the laser energy of the partial laser beams depends on the removal depth, which means that the effectiveness of the material removal in the respective removal depth is taken into account when adjusting the laser energy of the partial laser beams. For example, if the partial laser beams efficiently remove material from the workpiece at a first removal depth and less efficiently remove material at a second removal depth because the laser power of the partial laser beams is too low, then the laser power of the partial laser beams can be increased.
- the efficiency of the material removal can also relate to the removal per time, so that after a given time, material removal must have taken place over a certain length along the parting line.
- the laser power per partial laser beam can be adjusted in such a way that a maximum rate of material removal along the parting line is achieved.
- an optimization with regard to the removal depth and removal length along the parting line can also take place.
- the ablation volume ie the entirety of the material removed from the workpiece, can be optimized by adjusting the power per partial laser beam.
- the advantage of the proposed method lies in the increase in efficiency and edge quality of the cutting process of a workpiece, for example silicon, through the consistent utilization of the available laser power.
- the removal rate per unit of time can be kept essentially constant at the respective position processed by the respective partial laser beam.
- the laser power can be adjusted per partial laser beam by adjusting the number of partial laser beams for a given input power of the laser.
- the laser power of the laser is distributed over the first number of partial laser beams by the beam splitter optics.
- the laser beam can be split into five partial laser beams, so that each partial laser beam introduces a fifth of the laser energy into the workpiece.
- the efficiency of the removal with five partial laser beams can be very high at a first removal depth, but the efficiency of the removal at a second removal depth with five partial laser beams can be very low. If this is the case, the number of partial laser beams can be reduced to four partial laser beams, for example, for the second removal depth, so that a quarter of the laser power of the laser is then introduced into the material of the workpiece with each partial laser beam. By increasing the laser power of the partial laser beams in the second ablation depth, the efficiency of the ablation process can also increase again.
- the five partial laser beams can bring more than enough energy into the workpiece for the removal process, so that the efficiency of the method can be increased by increasing the number of partial laser beams from five partial laser beams to six partial laser beams.
- each partial laser beam introduces less energy into the workpiece, but this energy is simultaneously introduced into the workpiece by a larger number of partial laser beams, so that processing can take place at more positions at the same time.
- the section along the dividing line along which machining with the partial laser beams is carried out at the same time can be increased, which in turn makes the ablation process more efficient.
- the laser power can be increased per partial laser beam with increasing ablation depth.
- the beam splitter optics can include multiple microlens arrays and consist of these, for example. For example, four microlens arrays can be provided.
- Microlens arrays include assemblies of multiple microlenses.
- Microlenses are small lenses, in particular lenses with a typical lens center-to-lens center distance (“pitch”) of 0.1 to 10 mm, preferably 1 mm, with each individual lens of the arrangement having the effect of a normal, macroscopic lens.
- An angle spectrum is generated from the (at least substantially) collimated input laser beam with the multiple microlens arrays, which is imaged with a Fourier lens arrangement in a focal plane, which typically lies on or in the workpiece to be machined. Depending on the distance between the microlens arrays, this creates a large number of partial laser beams due to interference and diffraction effects.
- the variable change in the interference pattern results in a variation in the number of partial laser beams.
- the fluence and intensity of the spots of the partial laser beams is inversely proportional to the number of partial laser beams, with the sum of the laser powers of the partial laser beams essentially corresponding to the laser power of the input laser beam.
- the focal plane is used synonymously for the focal plane of the partial laser beams.
- the microlens arrays line up microlenses in (at least) one direction perpendicular to the beam propagation direction.
- An overall beam profile with uniform spacing of the partial laser beams is generated in the focal plane, the partial laser beams being lined up in a direction, for example the X-direction, perpendicular to the direction of beam propagation.
- the partial laser beams can thus be lined up in the direction in which the microlenses (embodied, for example, as cylindrical lenses) are also lined up.
- microlens arrays are preferably used, through which the laser beam passes.
- an even simpler and more compact structure is possible with four microlens arrays.
- the number of partial laser beams can already be adjusted flexibly.
- the beam splitter optics can also include at least two microlens array pairs, each of which includes two microlens arrays, with the microlens arrays of a microlens array pair being at a fixed distance from one another.
- a pair of micro-lens arrays can be shifted relative to another pair of micro-lens arrays.
- the distance between a first microlens array and a third microlens array can be fixed.
- the distance between a second microlens array and a fourth microlens array can be fixed at the same time.
- the relative distance between the first pair of microlens arrays and the second pair of microlens arrays can be varied.
- the laser power of the partial laser beams and/or the number of partial laser beams can be adjusted by shifting the two pairs of microlens arrays relative to one another.
- the interference pattern changes, i.e. the number of partial laser beams changes.
- An adjustment mechanism can be used for this in order to adjust the optical distances of at least some microlens arrays in the beam path.
- the effective focal length of the entirety of the microlens arrays and thus the number of partial laser beams can be adjusted.
- By suitably selecting the adjustment positions of the adjustment mechanism it is possible to achieve a uniform intensity distribution over the various partial laser beams.
- the adjustment mechanism can be motorized and have an electronic control device, with the various adjustment positions being programmed in the electronic control device, which are associated with the different numbers of partial laser beams and can be approached automatically by means of the electronic control device. This enables convenient and quick switching between different numbers of partial laser beams when the next processing task is pending.
- a first and third microlens array can be arranged stationary in the beam path itself, and second and fourth microlens arrays located in the beam path can be arranged on a movable carriage or vice versa. There is then a linear relationship between the number of partial laser beams and the position of the carriage over a certain adjustment range of the carriage, as a result of which the number of partial laser beams can be adjusted particularly conveniently.
- a microlens array or a pair of microlens arrays may include convex microlenses.
- convex microlenses have a so-called virtual focal point in the direction of beam propagation in front of the microlens.
- a microlens array of convex lenses is also called a convex microlens array. If the incident laser beam falls on a convex microlens array, the beam is expanded. In particular, this reduces the intensity of the laser beam in the beam propagation direction behind the convex microlens array. This can prevent damage to the other optical elements in the beam path.
- the partial laser beams can be focused in the same focal plane.
- all partial laser beams can be focused precisely onto the surface.
- all partial laser beams can also be focused, for example, 10 ⁇ m below the surface of the workpiece.
- all foci of the partial laser beams can also lie in a plane perpendicular to the direction of beam propagation, independently of a surface topology of the workpiece.
- the partial laser beams can be moved away from their original position along the dividing line by a deflection amount.
- the movement of the partial laser beams preferably follows the cutting line.
- the movement of the partial laser beams is preferably a linear deflection following the straight shape of the dividing line
- the deflection of the partial laser beams is preferably a deflection following the curved shape of the dividing line.
- the original position is the position that the partial laser beams originally assume on the surface of the workpiece.
- the original position is the position that the partial laser beams occupy before a deflection movement or movement away has taken place.
- the amount of deflection is the maximum distance of the moved partial laser beam from its original position. The amount of deflection is measured analogous to the distance between the different partial laser beams along the dividing line.
- the laser While the partial laser beams are being moved, the laser emits laser pulses.
- the movement makes it possible to introduce the laser pulses along the dividing line.
- laser pulses it is possible in this way for laser pulses to be introduced into the workpiece along the entire dividing line.
- the partial laser beams can be moved along the dividing line with a scanner system, so that the laser beams are introduced into the workpiece along the dividing line and the workpiece is separated along the dividing line.
- a scanner system which can preferably be arranged behind the beam splitter optics in the beam propagation direction and guides the partial laser beams along the dividing line.
- the movement of the partial laser beams is preferably correlated with the repetition rate of the laser providing the laser beam in order to ensure uniform material removal.
- the repetition rate or pulse rate of the laser can be selected in such a way that the dividing line is swept over without gaps.
- this can mean that with a movement speed of 10 pm/ps and a focus diameter of 1 pm, the repetition rate must be 10 MHz.
- the repetition rate is selected much faster, so that the focal zones of successively introduced laser pulses of the same partial laser beams overlap, i.e. the distance between successively introduced laser pulses is smaller than the focus diameter or the diameter of the focal zone.
- the repetition rate or the pulse rate can be adapted to the speed of the movement.
- a few laser pulses can be introduced for slow movement sections where the movement speed is particularly small, while a particularly large number of laser pulses must be introduced for the fast movement sections of the movement where the movement speed is high.
- the pulse rate can thus be inversely proportional to the movement speed. In particular, this can also apply to the periodic movements discussed below.
- the partial laser beams can first be moved away from their original position along the dividing line by a deflection amount, the deflection amount being less than or equal to the distance between two adjacent partial laser beams, preferably equal to the distance between the partial laser beams, and then moved back along the dividing line to the original position, the movement in particular can be a periodic movement.
- the amount of deflection is less than or equal to the distance between two adjacent partial laser beams, preferably equal to the distance between the partial laser beams.
- This can mean in particular that a first partial laser beam is moved to the original position of the adjacent second partial laser beam by the movement.
- the second partial laser beam can be moved to the original position of an adjacent third partial laser beam, with the third partial laser beam and the first partial laser beam not being identical, etc. This ensures that laser pulses are introduced into the workpiece along the entire dividing line.
- the first partial laser beam can also only be moved up to half the distance from the adjacent partial laser beams.
- the partial laser beams can also move two thirds of the distance in the direction of the dividing line and then move one third of the distance against the dividing line after returning to the original position. In particular, movement along both directions of the dividing line is possible.
- the partial laser beams are moved back to the original position along the dividing line.
- the return movement can, for example, take place at the same absolute speed as the previous movement. However, it is also possible that the return movement has a different speed profile.
- All partial laser beams preferably carry out the same movement at the same time.
- the laser While the partial laser beams are being moved, the laser emits laser pulses.
- the movement makes it possible to introduce the laser pulses along the dividing line.
- the introduction of the laser pulses can mean that the laser pulses are completely or partially absorbed by the material. For example, this can lead to the material being heated considerably by the laser pulses. This can lead to the heated material becoming detached from the overall composite of the material.
- the line traversed per partial laser beam i.e. the amount of deflection
- an arrangement of partial laser beams i.e. the totality of Partial laser beams generated by the beam splitter optics must be guided over the entire workpiece.
- the method can be used to process individual components on the workpiece, for example on a silicon wafer, without having to process the entire wafer at once. This increases the overall flexibility with regard to different component geometries on the workpiece.
- a periodic movement means that the partial laser beams are deflected from their original position and return to their original position after a fixed time interval.
- this can mean that the deflection takes place along the dividing line and the partial laser beams return to the original position once the deflection amount has been reached, and then a deflection occurs counter to the dividing line and the partial laser beams return to the original position after the deflection amount has been reached.
- the periodic movement takes place between the point of origin of a partial laser beam and the point of origin of an adjacent partial laser beam.
- the partial laser beams start from the starting position, perform a wobbling movement, preferably a periodic wobbling movement, along the dividing line.
- the original position is preferably shifted away from the original position by a deflection amount and back into the original position by a displacement amount along the dividing line and the movement of the partial laser beams is carried out again.
- the amount of displacement can in particular also be carried out using a scanner system. This configuration is preferably selected if the bundle of partial laser beams cannot cover the entire dividing line or if a scanning movement is to be superimposed on the feed movement, for example at high speeds and/or complex structures, and the separation along the dividing line is to be carried out gradually got to.
- the amount of displacement preferably corresponds to the extent of the bundle of partial laser beams in the direction of the dividing line.
- the simultaneous processing width specified by the bundle of the partial laser beams subjected to the moving away and back is Shift Amount used so that the simultaneous machining widths are juxtaposed one after the other.
- the workpiece is processed or separated along the separating line initially in a first processing width and after completion of the separating of this section of the separating line that corresponds to the processing width, the bundle of partial laser beams is shifted by the displacement amount, so that here again separating in the processing width can take place.
- each structure to be cut out of the workpiece can be cut out without displacement with a processing width of the bundle of partial laser beams.
- the number of partial laser beams and their distances from one another are preferably adjusted in such a way that simultaneous processing of the entire length that is essential for the respective structure can be achieved. In other words, an attempt is preferably made to cut, for example, one side of a chip at the same time.
- the dividing line can be straight and the periodic movement of the laser beams can be a linear deflection.
- the dividing line is not curved in particular, ie has no geometric curvature.
- the partial laser beams can only be moved along the dividing line, which is why a linear deflection takes place when the partial laser beams are guided over a straight dividing line.
- the partial laser beams are preferably always on the dividing line, even while their wobbling movement is being carried out.
- the starting position is shifted away from the starting position by a deflection amount and back into the starting position by a displacement amount along the separating line, and the movement of the partial laser beams is carried out again.
- This configuration is preferably chosen when the bundle of partial laser beams cannot cover the entire dividing line and the dividing along the dividing line has to be carried out gradually.
- the amount of displacement preferably corresponds to the extent of the bundle of partial laser beams in the direction of the dividing line.
- the simultaneous processing width specified by the bundle of the partial laser beams subjected to the moving away and back is Shift Amount used so that the simultaneous machining widths are juxtaposed one after the other.
- the workpiece is processed or separated along the separating line initially in a first processing width and after completion of the separating of this section of the separating line that corresponds to the processing width, the bundle of partial laser beams is shifted by the displacement amount, so that here again separating in the processing width can take place.
- the periodic movement of the partial laser beams can be generated by a periodic movement of the focusing optics.
- the focusing optics can be moved mechanically, for example laterally, that is to say perpendicular to the beam direction.
- this can also mean that the focusing optics are tilted at an angle to the beam direction.
- the partial laser beams Due to the different points of impact of the partial laser beams on the focusing optics, the partial laser beams pass through other beam paths through the focusing optics, so that the partial laser beams are imaged at a different location in or on the workpiece after leaving the focusing optics.
- the movement amplitude of the focusing optics thus largely defines the amount of deflection along the dividing line. If the focusing optics are not deflected, the original position of the partial laser beams on the workpiece is determined by the imaging of the partial laser beams on the workpiece.
- a movement of the partial laser beams can be generated in particular by moving an element within the microlens array arrangement.
- the pulsed laser can be an ultrashort pulse laser.
- An ultrashort pulse laser emits laser pulses with a particularly high power density on a small time scale, which can result in particularly sharp edges along the dividing line.
- the pulse length of an ultra-short laser pulse can, for example, be less than 100 ps, in particular less than 10 ps, particularly preferably less than 1.5 ps. However, the pulse length can also be longer than three hundred femtoseconds, for example. Typically, the pulse length is 1 ps.
- the peak fluence, ie the intensity of either the incident laser beam or a partial laser beam can be between 0.3 J/cm 2 and 30 J/cm 2 , typically it is between 1 J/cm 2 and 5 J/cm 2 .
- the focal diameter of the incident laser beam or one Partial laser beam can be between 1 pm and 100 pm, particularly preferably the focus diameter can be 9 pm.
- the partial laser beams and the workpiece can be shifted relative to one another, in particular they can be shifted with a feed along a feed direction.
- a displacement of the partial laser beams and the workpiece relative to one another means that both the partial laser beams and/or the workpiece can move, with the movement of one or both objects causing the partial laser beams to be displaced relative to the original position of both objects.
- the displacement can be achieved with a scanner or an axis system, for example an XYZ stage that can, for example, displace the workpiece in all spatial directions.
- a wobbling movement can be superimposed on this shift.
- the feed may have a feed rate along a feed direction. This means that the relative movement has a certain speed, so that the partial laser beams are guided relatively over the workpiece at a certain speed.
- the feed rate vector is aligned parallel to the dividing line, i.e. the feed direction is given by the dividing line. Since laser pulses are introduced into the workpiece during the movement by the pulsed laser, material is removed along the parting line.
- the input laser beam and/or the partial laser beams can be broken down into two mutually orthogonal polarization components as they pass through a birefringent polarizer element.
- Birefringence is the ability of an optical material to separate the incident laser beam into two partial laser beams that are polarized perpendicularly to one another. This occurs due to different refractive indices of the optical material depending on the polarization and the angle of incidence of the light relative to the optical axis of the optical material.
- partial laser beams polarized perpendicularly to one another are understood to mean linearly polarized partial laser beams whose directions of polarization are aligned at an angle of 90° to one another.
- partial laser beams polarized perpendicularly to one another are also understood to mean circularly polarized partial laser beams with opposite directions of rotation, ie two partial laser beams circularly polarized to the left and right. The conversion of linearly polarized partial laser beams aligned perpendicular to one another
- Directions of polarization in circularly polarized partial laser beams with opposite directions of rotation can be achieved, for example, with the aid of a suitably oriented retardation plate ( ⁇ /4 plate).
- the outgoing laser beams broken down into polarization components by the birefringent polarization element can have an angular offset and/or a spatial offset in relation to one another.
- the partial laser beams can have an angular offset after passing through the birefringent polarization element. This means that the partial laser beam with a first polarization does not run parallel to the partial laser beam with a second polarization behind the birefringent polarization element.
- the birefringent polarizer element can have a beam exit surface that is inclined at an angle to the beam entry surface.
- the optical axis of the birefringent crystal is typically aligned parallel to the beam entry surface.
- the two partial laser beams exit the beam exit surface at the same location and with a defined angular offset from the birefringent crystal.
- the partial laser beams can have a spatial offset after passing through the birefringent polarization element. This means that the partial laser beam with the first polarization runs parallel to the partial laser beam with the second polarization behind the birefringent polarization element. However, both partial laser beams are shifted parallel to each other, so that there is a finite distance between the two partial laser beams.
- the birefringent polarizer element can have, for example, parallel, generally planar beam entry and exit surfaces.
- the optical axis of the birefringent crystal is typically aligned at an angle to the beam entry surface. If the input laser beam hits the beam entry surface perpendicularly, a pure spatial displacement is generated at the beam exit surface.
- the distances between the individual partial laser beams with different polarization can be defined via the polarization element, for example during production or by orienting the optical axis of the crystal to the incident laser beam.
- the partial laser beams arranged next to one another and spaced apart from one another along the dividing line can have an alternating polarization.
- the polarization is alternating if neighboring partial laser beams have a mutually orthogonal polarization.
- the polarization is alternating if a first partial laser beam is circularly polarized to the right, a second partial laser beam is circularly polarized to the left, a third partial laser beam is circularly polarized to the right, etc.
- the polarization is alternating if a first partial laser beam is polarized along the dividing line, a second partial laser beam is polarized orthogonally to the dividing line, a third partial laser beam is polarized along the dividing line, etc.
- a laser beam which is generated, for example, by a single-mode laser and has a Gaussian beam profile, is divided into two or more partial laser beams and the partial laser beams are at least partially superimposed, this can lead to undesirable interference effects if the partial laser beams have the same or have a similar polarization. Therefore, when focusing the partial laser beams, the focal zones or focal cross-sections cannot be arbitrarily close to one another, so that the partial laser beams are generally focused at focal zones on the workpiece that are spaced apart from one another.
- the (partial) superimposition does not lead to interference effects of the laser radiation from different spatial or angular ranges, provided the polarization state of the respective partial laser beams is uniform over the entire relevant beam cross section or the respective focal zone is.
- the polarization of a respective partial laser beam should therefore vary as little as possible, depending on location, over the beam cross section or over the focal zone.
- the focal zones can be arbitrarily close to one another, partially or completely overlap and even form homogeneous focal zones, both transversally, i.e. perpendicularly to the direction of propagation of the partial laser beams, and longitudinally, i.e. in the direction of propagation of the partial laser beams.
- the polarization of each partial laser beam can be aligned along the dividing line or orthogonally to the dividing line.
- Polarized along the dividing line can mean that in the case of linear polarization, the polarization axis is parallel to the dividing line. In the case of curved dividing lines, this can mean that the polarization axis is tangent to the dividing line, with the focal point lying on the dividing line. In particular, in the case of a straight dividing line, this can mean that the polarization axis is completely on the dividing line.
- Aligned orthogonally to the dividing line can mean that, in the case of linear polarization, the polarization axis is orthogonal to the dividing line. In the case of curved dividing lines, this can mean that the polarization axis is orthogonal to the tangent of the dividing line, with the focal point lying on the dividing line and the tangent being formed at the focal point.
- a higher-quality cutting result can be achieved, for example with increased breaking strength.
- a polarization parallel to the feed direction for example, a workpiece can be removed with high efficiency.
- the effect of the polarization can, however, be exactly the opposite or different, depending on the material, so that a higher-quality cutting result can be achieved with a polarization parallel to the feed direction than with a polarization perpendicular to the feed direction.
- the cutting quality can be influenced by the polarization.
- a delay plate and/or a delay element and a filter element allow all partial laser beams to have the same polarization.
- a retardation plate can be an ⁇ /2 plate, which can be used to rotate a linear polarization of the incident laser light.
- a p-polarization can be converted into an s-polarization by means of an ⁇ /2 plate.
- a retardation plate can also be an ⁇ /4 plate, with which circular polarization is converted into linear polarization.
- the incident laser beam may have circular polarization and, after the laser light has passed through the ⁇ /4 plate, have p-polarization.
- a filter element can be, for example, a polarizer, for example a thin-film polarizer, or another polarizer element.
- the filter element can be attached behind the polarizer element of the processing optics.
- the filter element can also be switched into the beam path or switched off. As a result, one of the polarizations can be filtered out of the beam path after the polarizer element, so that only partial laser beams with one polarization direction are introduced into the workpiece.
- the entire separation process can be divided into different partial separation processes, each partial process being carried out either with p- or s-polarized partial laser beams or with partial laser beams of different polarizations.
- partial laser beams with different polarization are advantageous because the different directions of polarization relative to the dividing line affect the removal depth per pulse and the quality of the removal edge.
- polarization parallel to the feed direction is suitable for enabling particularly efficient material removal per laser pulse.
- polarization perpendicular to the feed direction can produce particularly smooth edges with high breaking strength.
- a certain removal depth can be achieved with partial laser beams that are polarized parallel to the feed direction.
- the cutting edge can be reworked with partial laser beams that are polarized perpendicularly to the dividing line.
- the partial laser beams of different polarization can be placed next to one another. Due to the different polarizations, there are no disruptive interference effects between adjacent partial laser beams, so that the partial laser beams can be placed close to one another.
- an increase in efficiency and quality can be achieved by machining the workpiece with different polarization along or perpendicular to the parting line in different machining situations in different machining strategies.
- the polarization of the partial laser beams can be set, for example, via a polarizer.
- a polarizer can be a thin-film polarizer, for example, which only allows partial beams of one polarization to pass through.
- Such a polarizer can, for example, be introduced into the beam path before the partial laser beams are directed onto the workpiece.
- the polarization of the partial beams can also be defined directly by the polarizer element, whereby the alignment of the optical axis to the incident beam can be adjusted. It is thus possible to determine and select the polarization of the partial beams.
- the effects in terms of quality and efficiency can be used simultaneously. It is also possible to divide the process into two or three or more process steps. For example, at the start of the process, a high level of efficiency and an increase in the economic viability of the process can be achieved by means of partial laser beams with alternating polarization or exclusively parallel polarization. At the end of the process, the polarization can be rotated by 90°, for example by means of an A/2 plate or switching a liquid crystal, liquid crystal display, lithium niobate crystal or a Pockels cell, so that a qualitative improvement of the workpiece is achieved with polarization aligned perpendicular to the feed direction .
- the workpiece can be a wafer, in particular a silicon wafer, from which individual chips are to be separated.
- the wafers only have to be positioned precisely, but no longer have to be aligned. This means that the alignment along a feed axis across the wafer must no longer deviate by a few micrometers across the entire wafer width.
- FIG. 1A, B shows a schematic representation of the method without adjustment of the laser intensity
- FIG. 2 A, B, C shows a sketch for determining the distance between the partial laser beams
- FIG. 3 shows a schematic representation of the dependence of the laser intensity on the number of partial laser beams
- FIG. 4 shows a schematic representation of a microlens array optics.
- FIG. 5 shows a schematic representation of the time dependence when introducing the partial laser beams with periodic deflection;
- FIG. 6 shows a schematic representation of the polarizer elements
- FIG. 7 shows a schematic representation of the processing optics and the beam path
- FIG. 8 shows a schematic representation of the method
- FIG. 9 shows a further schematic illustration of the method
- FIG. 10 measurement curves for determining the ablation efficiency
- FIG. 11 measurement curves for determining the ablation efficiency
- FIG. 12 measurement curves for determining the ablation efficiency
- FIG. 13 a comparison of the material removal for different parameters.
- FIG. 1 schematically shows a method for separating a workpiece 1, for example for separating a silicon wafer, at two different times.
- a partial laser beam 26 is introduced into a workpiece 1, with the laser pulses running along the partial laser beam 26 heating the workpiece 1 in the focal zone, for example, so that the heated material of the workpiece 1 is detached from the surrounding overall composite .
- This process is called laser ablation or laser drilling or laser cutting.
- the partial laser beam 26 hits the surface 12 perpendicularly, for example, everywhere -shaped beam profile, so that the laser intensity is greatest in the lateral direction at the focus of the beam and decreases towards the edge of the beam. Accordingly, the workpiece is heated more in the center of the jet than at the edges of the jet, so the material that is heated by the center of the jet is more likely to be leached out of the workpiece than at the edge of the jet. As a result, the removal depth per pulse is unevenly distributed over the jet cross section, which means that the bottom of the borehole becomes uneven.
- a large part of the focal zone is below the surface 12 or in the volume of the workpiece 1, so that a relatively large amount of laser energy is absorbed by the material of the workpiece 1 per laser pulse, making the machining process very effective.
- FIG. 1B shows that this unevenness increases as the removal depth progresses, because the partial laser beam 26 with a radially decreasing beam profile removes more and more material from the center of the borehole than at the edge of the beam.
- the borehole is shaped according to the intensity distribution in the beam profile, so that as the processing process progresses, the area processed by the laser beam increases significantly and the intensity for it decreases. In particular, this reduces the efficiency of the machining process for removing material. In order to increase the efficiency of the machining process, it is therefore necessary to increase the intensity of the partial laser beam 26 as the removal depth increases.
- FIG. 2A shows a sketch to clarify the determination of the distance between the partial laser beams 26 and one another. It is assumed here that the surface 12 of the workpiece 1 has a curvature or is uneven. However, the distance determination is to be carried out analogously for flat surfaces 12 .
- beam splitter optics split the laser beam 2 into a first partial laser beam 260 and a second partial laser beam 262.
- the first partial laser beam 260 runs essentially parallel to the second partial laser beam 262, with the focal zone 24 of the first partial laser beam 260 being in the volume of the workpiece 1 and the Focus zone 24 of the second partial laser beam 262 is on the surface 12 of the workpiece 1. Only the direct distance L of the partial laser beams 260, 262 is relevant for determining the distance between the two partial laser beams, the distance L between the beam axes of the first and second partial laser beams being measured.
- FIG. 2B shows the situation of FIG. 2A in plan view.
- the two partial laser beams 260 and 262 are spaced apart and introduced into the workpiece 1 next to one another along the dividing line 10 .
- the curvature of the surface 12 of the workpiece 1 cannot be seen from a bird's eye view that the direct geometric connection of the two beam axes of the partial laser beams 260 and 262 is suitable for determining the distance L between the two partial laser beams 260, 262.
- FIG. 2C shows a further side view of the method, in particular it is shown that a multiplicity of partial laser beams 26 can be introduced into the workpiece 1.
- the partial laser beams 26 are all focused in the same focal plane. This means that all focal zones are in one plane.
- the focal plane is given here by the surface 12 of the workpiece 1 .
- FIG. 3 Various partial beams are shown in FIG. 3, as well as their intensity in the focal zone 24 as a function of the number of partial laser beams 26 used.
- the incident laser beam (not shown) is divided into three partial laser beams 260, 261, 262.
- the intensity in the focal zones 24 of these three partial laser beams is very high, which is shown by the dark shading.
- the three partial laser beams can, for example, be introduced into the workpiece during a first pass along the dividing line 10, for example in the positive x-direction.
- the same incident laser beam (not shown) is split into four sub-laser beams.
- the four partial laser beams show a reduced intensity in the focal zone, which is shown by medium-light hatching.
- the incident laser beam for generating the partial laser beams has not changed; the intensity is only adjusted by adjusting the number of partial laser beams.
- the four partial laser beams can be used, for example, for a second pass along the dividing line 10 in the negative x-direction.
- Five partial laser beams are shown in the third row, all of which are again generated by the same incident laser beam.
- the five partial laser beams have a significantly lower intensity than the four partial laser beams and also a significantly lower intensity than the three partial laser beams.
- Five partial laser beams can, for example, be introduced into the workpiece again in the positive x-direction during a third pass along the dividing line 10 .
- the intensity introduced into the workpiece 1 by each laser pulse is therefore also independent of the number of partial laser beams.
- the partial laser beams extend over an ever greater distance D as the number of partial laser beams increases, so that a smaller feed movement is necessary in order to sweep over the entire dividing line 10 . It is thus also possible to increase the process speed if the laser energy introduced is sufficient for material removal.
- a number of passes over the separating line 10 may be necessary, which is in the range of 500 to 2500 individual passes.
- the laser power per partial laser beam 26 can be adjusted with each pass, or after a predetermined removal depth AT in the material of the workpiece 1 has been exceeded, or after a predetermined number of individual passes, for example after 200 passes, the laser power per partial laser beam 26 is adjusted .
- FIG. 4A shows a microlens array optics, ie a beam splitter optics 62, as used for beam splitting.
- An input laser beam 2 from a laser 21 is passed through optional telescopic optics 61 (shown in phantom) to adjust the diameter of the laser beam 2 and is then passed through the microlens array optics to generate multiple sub-laser beams 26 .
- the input laser beam 2 is collimated at least with respect to the x-direction perpendicular to the beam propagation direction (z-direction).
- the input laser beam 2 passes through four microlens arrays MLA1-MLA4.
- Each microlens array MLA1-MLA4 has microlenses 622 lined up in the x-direction with an aperture a.
- the aperture a measured along the x-direction is the same for all microlens arrays MLA1-MLA4.
- the microlens arrays MLA1-MLA4 or their microlenses 622 can all have different focal lengths f1-f4.
- the focal length f1-f4 of the microlenses 622 is uniform within a respective microlens array MLA1-MLA4.
- the microlenses 622 are all convex lenses.
- the microlenses 622 of MLA1 are concave lenses and the microlenses of MLA2-MLA4 are convex lenses. This creates an expansion of the laser beam 2 is allowed so that the peak intensity of the laser beam 2 between the micro lens arrays 622 is weakened. This can prevent the following optical elements from being destroyed.
- the number of convex microlens arrays is limited to two in a structure with four microlenses.
- the microlens arrays MLA1-MLA4 image each point of a respective microlens in the plane of the first microlens array MLA1 in an angle, ie an angle spectrum is generated.
- This angular spectrum is imaged in a focal plane, for example in or on a workpiece 1, using focusing optics 6.
- the partial laser beams 26 are created by interference and diffraction effects in the beam path.
- the microlens array optics 62 has an adjustment mechanism 63 with which at least some of the mutual distances between the microlens arrays MLA1-MLA4 can be adjusted.
- each microlens array MLA1-MLA4 can have its own carriage 632 (e.g. with a driven gear wheel engaging in the rack) that can be moved by motor on a guide 631 (e.g. a rack), with the carriage being able to be controlled via an electronic control device 633.
- a plurality of adjustment positions for all of the microlens arrays MLA-MLA4 are stored in the control device 633, with each adjustment position including a target position to be approached with respect to the z-direction for the various carriages 632.
- the positions of some microlens arrays MLA1-MLA4 are coupled and/or fixed.
- the first and third microlens arrays MLA1 and MLA3 can be connected to each other.
- the second and fourth microlens arrays MLA2 and MLA4 can also be connected to one another.
- the number of partial laser beams in the focal plane can then be adjusted by offsetting the pairs of microlens arrays relative to one another.
- the adjustment mechanism 63 can move to a number of adjustment positions, with the number of partial laser beams 26 being able to be adjusted via the adjustment positions.
- the partial laser beams 26 that are generated are focused into or onto the workpiece 1 by the focusing optics 64 .
- five partial laser beams 26 are generated in FIG. 4, which are positioned next to one another in the x-direction on a line, for example the dividing line 10 .
- the microlens arrays only have microlenses lined up in the x-direction, but not in the y-direction.
- the laser beam has been focused in the focal plane in the y-direction, for example with a cylindrical lens between the laser source and the first microlens array in the beam path.
- the movable carriages 632 of the micro lens array optics can be coupled to one another.
- the mobile carriage of the first microlens array MLA1 can be coupled to the carriage of the third microlens array MLA3.
- This can mean, for example, that the distance between the microlens arrays MLA1 and MLA3 is always the same.
- the movable carriage of the first microlens array MLA1 is coupled to the carriage of the second microlens array MLA2. It is also possible that more than two carriages are coupled to one another.
- the coupled microlens arrays can be shifted relative to the uncoupled microlens arrays.
- the micro lens arrays MLA1 and MLA2 can be shifted against the micro lens arrays MLA3 and MLA4. This means that the distance between the microlens arrays MLA1 and MLA2 or the microlens arrays MLA3 and MLA4 always remains the same, but the distance between the microlens arrays MLA2 and MLA3 varies.
- the displacement of the microlens array pairs results in a change in the interference pattern of the various beams in the beam splitter optics, so that the number of partial laser beams 26 introduced into the workpiece can be adjusted.
- the intensity in the individual focal zones of the partial laser beams 26 is inversely proportional to the number of partial laser beams.
- the number of partial laser beams can finally be guided over the workpiece with a scanner system or an axis system, so that the partial laser beams 26 sweep over the workpiece along a dividing line 10 and cut the workpiece 1 along the dividing line 10 by introducing the laser pulses.
- the number of partial laser beams 26 can be adjusted accordingly in order to increase the efficiency of the removal process.
- FIG. 5A shows a further time course of a possible movement and deflection of the partial laser beams 260, 262, 264.
- These partial laser beams are generated, for example, when the laser beam 2 passes through a beam splitter optic according to FIG.
- the sub-laser beams are evenly spaced from one another, i.e. the distance L between two adjacent sub-laser beams 26 is the same at all times.
- the first partial laser beam 260 is focused in the workpiece 1, so that the laser pulses, for example, an ultra-short pulse laser in the focal zone 24 of the first Partial laser beam 260 bring about a material removal. This can be done, for example, by a mechanism known as laser ablation or laser drilling or laser cutting. A certain amount of material is removed by each pulse or each pulse train of the pulsed laser. However, this removal of material must take place uniformly along the parting line 10 in order to avoid material stresses, for example.
- the first partial laser beam 260 is initially deflected from its original position X01 along the dividing line 10, specifically by the amount of deflection 300. While the partial laser beam 260 is deflected, the pulsed laser continuously emits pulses, for example. As a result, a total of three laser pulses are emitted on the route between the origin point X01 and the point where the deflection amount 300 is reached. The first partial laser beam 260 is then moved back to its original position X01, so that a total of five laser pulses were emitted when the original position X01 was reached.
- the partial laser beam 262 is then moved against the dividing line 10 until a deflection amount 302 is reached.
- the amount of deflection 302 differs from the amount of deflection 300 in the figure, so that the movement is particularly asymmetrical. However, the deflection always takes place along the dividing line 10 . A total of nine laser pulses were emitted up to the reversal point where the deflection amount 302 is reached.
- the partial laser beam 260 is then brought back to the original position X01 along the dividing line 10, four additional laser pulses being introduced into the workpiece.
- these movements can also be approached with a speed profile, for example sawtooth-shaped curves, or sine-shaped curves, or cosine-shaped curves, or triangular curves can be used.
- the pulse rate of the pulsed laser can be adjusted here so that the pulses from each partial laser beam 26 on the dividing line 10 are introduced evenly into the workpiece 1, as a result of which material is removed evenly.
- the movement speed can also be adapted to the amount of deflection, so that the same number of laser pulses are always introduced into the workpiece 1 for each amount of deflection.
- the partial laser beam 260 is introduced into the workpiece 1 together with the second partial laser beam 262 and in the third partial laser beam 264 .
- all partial laser beams are in their points of origin X01, X02 and X03.
- all partial laser beams and the amount of deflection 300 are shifted along the dividing line 10, then returned to the original position, then shifted against the dividing line 10 by the amount of deflection 302 and finally returned to the original positions.
- the distance L between the partial laser beams is always the same.
- the amounts of deflection 300, 302 along and counter to the dividing line can be selected in such a way that their total corresponds exactly to the distance between the partial laser beams. This ensures that adjacent partial laser beams sweep over the same point on the dividing line 10 .
- the second partial laser beam 262 at its maximum deflection by the deflection amount 302 against the dividing line 10 exceeds the same point on the dividing line 10, the first partial laser beam 260 at its maximum deflection amount 300 along the dividing line 10.
- the two partial laser beams 262 and 264 Since adjacent partial laser beams sweep over the same point of the dividing line 10, a uniform removal of material is thus ensured. In particular, this ensures a complete removal of material, so that no workpiece with the original thickness of the workpiece 1 remains along the dividing line 10 .
- FIG. 5B the introduced laser pulses of the various partial laser beams 260, 262, 264 are shown on the workpiece 1 from a bird's-eye view. It can be clearly seen that along the dividing line 10 no point was not swept over by the partial laser beams, so that a uniform removal of material is ensured.
- Adjacent partial laser beams 260, 262, 264 cannot be introduced into the workpiece 1 at an arbitrarily small distance from one another, provided the adjacent partial laser beams have the same polarization. This is due to interference effects that occur, as a result of which the adjacent partial laser beams partially cancel each other out (destructive interference) or reinforce each other (constructive interference). If, on the other hand, neighboring partial laser beams have different, in particular orthogonal, polarization to one another, then the partial laser beams cannot interfere with one another. For this reason, the laser beam 2 can be split into different polarization components, and the partial laser beams that are introduced into the workpiece 1 can in turn be formed from these polarization components. Birefringent polarizer elements 4 are shown in FIGS.
- FIGS. 6A, B each show a birefringent polarizer element 4 in the form of a birefringent crystal.
- Different birefringent materials can be used as the crystal workpiece for the polarizer element 4, e.g. alpha-BBQ (alpha-barium borate), YVO4 (yttrium vanadate), crystalline quartz, etc.
- the birefringent polarizer element 4 of Fig. 6A is wedge-shaped, i.e. a plane beam entry surface 40 for entry of an input laser beam 2 and a plane beam exit surface 42 of the polarizer element 4 are aligned at a (wedge) angle to one another.
- the or an optical axis 44 of the crystal workpiece is aligned parallel to the beam entry surface 40 .
- the wedge-shaped birefringent polarizer element is the preferred embodiment.
- the unpolarized or circularly polarized input laser beam 2 entering the birefringent polarizer element 4 perpendicularly to the beam entry surface 40 is split at the beam exit surface 42, which is inclined at an angle to the beam entry surface 40, into two partial laser beams 26, which are perpendicular to one another (s- or p-polarized).
- the s-polarized partial laser beam 26 is identified by a dot, while the second, p-polarized partial laser beam 26 is identified by a double arrow.
- the first, p-polarized partial laser beam 26 is refracted to a lesser extent than the second, s-polarized partial laser beam 26 when exiting the birefringent polarizer element 4, so that an angular offset a occurs between the first and the second partial laser beam 26.
- the first and second partial laser beams 26 emerge from the birefringent polarizer element 4 at the same point on the beam exit surface 42, i.e. the angular offset a is generated, but no spatial offset between the two partial laser beams 26.
- the beam entry surface 40 and the beam exit surface 42 are aligned parallel to one another and the optical axis 44 of the crystal workpiece is aligned at an angle of 45° to the beam entry surface 40 .
- the input beam 2 incident perpendicularly to the beam entry surface 40 is divided at the beam entry surface 2a into a first, ordinary partial laser beam 260 and a second, extraordinary partial laser beam 26AO.
- the two partial laser beams 26 exit parallel at the beam exit surface 42, i.e. without an angular offset, but with a spatial offset Ax.
- the two birefringent polarizer elements 4 shown in FIGS. 6A, B therefore differ fundamentally in that the polarizer element 4 shown in FIG Angular offset a (without spatial offset) and that the polarizer element 4 shown in FIG. 5B generates a spatial offset Ax (without angular offset).
- Both polarizer elements 4 can form a component of processing optics 6, which can be designed, for example, as shown in FIG. It goes without saying that the processing optics 6 can also have polarizer elements that produce both a spatial offset Ax and an angular offset a, as is the case with conventional prism polarizers, which generally have two birefringent optical elements.
- Figure 7 each show processing optics 6, comprising a birefringent polarizer element 4, for dividing the laser beam 2 into partial laser beams polarized perpendicularly to one another, beam splitter optics 62 according to Figure 4, which are used to generate a plurality of pairs of partial laser beams 26 of different polarization, and focusing optics, which is designed to focus the partial laser beams 26 in focus zones 24 that run along a dividing line 10 in the focus plane.
- an optional A/2 plate 70 and a switchable polarization filter element 72 are fitted in front of the processing optics 6 .
- the processing optics 6 shown in FIG. 7 have focusing optics 64, which are used to focus the two partial laser beams 26 onto a focal plane, which in FIG. 6 lies on the surface 12 of a workpiece 1 to be processed. Unlike what is shown in FIG. 6, the focal plane can lie above the surface 12 or in the workpiece 1.
- the input laser beam 2 for example a pulsed laser or ultrashort pulse laser, impinges on the birefringent polarizer element 4, where two partial laser beams 26 are generated.
- the beam splitter optics 62 are arranged in the beam path after the polarizer element 4 .
- the beam splitter optics 62 can also be arranged in front of the polarizer element 4 .
- the processing optics 6 shown in FIG. 7 can be moved at least partially relative to the workpiece 1, so that a movement of the partial laser beams 26 along the dividing line 10 is made possible.
- the number of partial laser beams can also be varied with the beam splitter optics, so that a power adjustment of the partial laser beams is possible when crossing the dividing line 10 several times.
- the birefringent polarizer element 4 is arranged in a plane that is optically conjugate to the focal plane.
- the optical conjugate plane is related to the focal plane by an angle-to-space transform (Fourier transform), which is generated by the focusing optics 7. Angles in the optical conjugate plane correspond to locations in the focal plane and vice versa.
- the two partial laser beams 26 emerging from the polarizer element 4 with the angular offset a are therefore focused with a spatial offset Ax of the two centers of the focal zone 24 in the focal plane.
- the spatial offset is smaller than the diameter of the focal zones 24, so that the two focal zones 24 overlap. Because there is no spatial offset between the two partial laser beams 26 emerging from the polarizer element 4 , the two partial laser beams 26 are aligned parallel and perpendicular to the focal plane 8 after passing through the focusing optics 74 .
- the focal zones 24 of a pair of adjacent partial laser beams of different polarization are formed by partial laser beams 26 which are polarized perpendicularly to one another and partially overlap.
- the focal zones 24 of two partial laser beams 26 polarized perpendicularly to one another of two directly adjacent pairs in each case also overlap.
- only partial laser beams 26 polarized perpendicularly to one another overlap, so that no interference effects occur between the partial laser beams 26 of the same polarization.
- the essentially linear intensity distribution generated in this way in the focal plane extends along the dividing line 10.
- the ⁇ /2 plate 70 can be used to set a direction of polarization of the incident laser beam 2 onto the polarizer element 4 .
- a p- or an s-polarized beam can hit the polarizer element 4 so that there is no splitting into multiple polarizations behind the polarizer element 4 .
- the incident laser beam is rotated by the ⁇ /2 plate 70 in such a way that both polarization components after the polarizer element 4 are of equal strength.
- a polarizer 72 can be introduced behind the processing optics 6 .
- the polarizer can be switchable, for example. For example, this can mean that the polarization filters out a first polarization direction from the arrangement of partial laser beams 26 but allows a second polarization to pass through. But it can also be exactly the opposite. In particular, it may be that the polarizer 72 can be removed from the beam path so that both polarization components can be guided to the workpiece unhindered. But it can also being that switchable means that the polarizer just doesn't affect the
- Sub-beams 26 has.
- the alternately polarized intensity profile can also be generated with a birefringent polarization element 4 according to FIG. 6B, in which the partial laser beams leave the birefringent polarization element 4 with a spatial offset.
- a birefringent polarization element 4 according to FIG. 6B, in which the partial laser beams leave the birefringent polarization element 4 with a spatial offset.
- an angular offset is necessary in the conjugate plane in order to focus the partial laser beams 26 parallel to one another onto the workpiece 1
- at least one further lens arrangement is necessary in order to correct the beam angle of the partial laser beams 26 onto the workpiece 1 (not shown).
- the method is presented schematically in FIG. 8, with adjacent partial laser beams having different, in particular orthogonal, directions of polarization.
- the laser beam 2 of the pulsed laser is split into a large number of partial laser beams 26 with the aid of processing optics, as shown in Figure 6, for example, with the adjacent partial laser beams having orthogonal polarization to one another and with the distance between the adjacent partial laser beams being smaller than the diameter of the Focus zones 24.
- partial laser beams 26 with different polarization is advantageous because the different direction of polarization relative to the dividing line 10 affects the removal depth per pulse and the quality of the removal edge.
- polarization parallel to the feed direction is suitable for generating particularly smooth edges along the dividing line.
- a polarization perpendicular to the feed direction can enable particularly efficient material removal per laser pulse.
- a multiplicity of partial laser beams 26 are introduced into the workpiece 1 along the parting line 10 in a first step.
- the adjacent partial laser beams 26 have different polarizations.
- the adjacent partial laser beams 26 are introduced into the workpiece 1 at a small distance from one another.
- the partial laser beams 26 are deflected or periodically deflected along the dividing line 10 so that the adjacent partial laser beams 26 sweep over the same location on the dividing line 10 .
- the deflection is smaller than the distance between adjacent partial laser beams.
- the intensity distribution of the partial laser beams along the dividing line 10 is very homogeneous, so that homogeneous material removal along the dividing line 10 is possible.
- the polarization components parallel to the dividing line 10 can then be switched off, for example by varying or filtering one of the optical elements in the processing optics 6 so that only partial laser beams 26 with a polarization parallel to the dividing line 10 are introduced into the workpiece 1 .
- FIG. 9B A variation of the method is shown in FIG. 9B, in which in a first step only partial laser beams 26 with a polarization orthogonal to the alignment of the dividing line are used. In the first step, the orthogonal orientation creates a high breaking strength at the cutting edge. In a second step, only partial laser beams with a polarization parallel to the separating line 10 are then used, so that the workpiece can be separated with high efficiency.
- FIG. 9C shows a further variation of the method, with partial laser beams being introduced into the workpiece 1 in a first step analogously to FIG. 9A, with adjacent partial laser beams being polarized orthogonally to one another.
- partial laser beams that are polarized parallel to the separating line 10 can then be used to produce a high breaking strength of the separating edge, with only partial laser beams that are polarized perpendicular to the separating line 10 being used in a third step in order to quickly and efficiently increase the removal depth.
- FIG. 10 shows the ablation efficiency of the method for different pulse lengths and different fluences.
- FIG. 10 shows that short pulse durations have a significantly higher ablation efficiency, which is why pulse durations of less than 1.2 ps are preferably used.
- FIG. 12 shows the maximum ablation efficiency as a function of the repetition rate of the pulsed laser.
- the number of partial laser beams and the repetition rate were varied equally.
- a low ablation efficiency is obtained with a repetition rate of 1000 kHz if only a partial laser beam is used.
- the efficiency of the process increases when two partial laser beams with only 500 kHz are used.
- a further increase in efficiency is possible when using three partial laser beams, each with only 330 kHz.
- the efficiency is increased again when four partial laser beams are introduced into the workpiece with a repetition rate of 250 kHz.
- the efficiency is increased again when eight partial laser beams are introduced into the workpiece with a repetition rate of 125 kHz.
- the method is four times as efficient with eight partial laser beams as with only one partial laser beam, although the same total energy was deposited in the workpiece.
- FIG. 13 shows several samples that were processed with different pulse lengths and different feed rates. It can be clearly seen that for shorter pulse lengths, there is significantly more material removal. It can also be seen that at low feed speeds, the partial laser beams or a coherent Generate removal geometry, while only individual "drilled holes" can be seen at fast feed rates.
Landscapes
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines Werkstücks (1) entlang einer Trennlinie (10) mittels Laserpulsen (20) eines Laserstrahls (2), wobei der Laserstrahl (2) mit einer Strahlteileroptik (62) in mehrere Teillaserstrahlen (26) aufgespaltet wird und die Teillaserstrahlen (26) so mit einer Fokussieroptik (64) auf die Oberfläche (12) und/oder in das Volumen des Werkstücks (1) fokussiert werden, dass die Teillaserstrahlen (26) nebeneinander und voneinander beabstandet entlang der Trennlinie (10) angeordnet sind, wobei durch das Einbringen der Laserpulse (20) der Teillaserstrahlen (26) in das Werkstück entlang der Trennlinie (10) ein Materialabtrag stattfindet, und die Laserleistung pro Teillaserstrahl (26) in Abhängigkeit von der im Werkstück (1) erreichten Abtragtiefe (AT) angepasst wird.
Description
Verfahren zum Trennen eines Werkstücks
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines Werkstücks entlang einer Trennlinie mittels Laserpulsen eines Laserstrahls.
Stand der Technik
Es ist bekannt, Werkstücke durch die Beaufschlagung mit Laserpulsen zu trennen, beispielsweise um einen Abschnitt des Werkstücks aus dem Werkstück heraus zu trennen, wobei durch das Beaufschlagen des Werkstücks mit dem Laserstrahl ein Materialabtrag in dem Werkstück erreicht werden kann, der beispielsweise durch Sublimieren des Werkstücks oder durch Aufschmelzen mit nachfolgendem Austreiben der Schmelze erreicht werden kann.
Mit steigender Bearbeitungstiefe kann allerdings die Effektivität des Schneidvorgangs aufgrund von Abschattungen und einer Veränderung der Lochgeometrie abnehmen, so dass daher die Energie des Lasers nicht mehr ausreichen kann, um einen schnellen Materialabtrag zu bewerkstelligen. Mit anderen Worten steigt die zum Materialabtrag notwendige Energie mit steigender Bearbeitungstiefe, so dass jeder Punkt einer gewünschten T rennlinie, entlang derer das Werkstück getrennt werden soll, mehrfach vom Laserstrahl überstrichen werden muss, wodurch die Bearbeitungszeit direkt proportional zur Anzahl der Überfahrten ist.
Dabei ist es bekannt, sogenannte Multispotoptiken zur Ausbildung einer Vielzahl von Teilstrahlen des Laserstrahls zu verwenden und diese Teilstrahlen mittels eines Scanners und/oder eines Verschiebetischs zum Trennen des Werkstücks zu verwenden. Durch die Vielzahl an gleichzeitig eingebrachten Teillaserstrahlen kann der Materialabtrag effektiver gestaltet werden.
Auf diese Weise lässt sich zwar die Bearbeitungszeit insgesamt bereits reduzieren und die Effizienz steigern, jedoch weisen solche Verfahren immer noch den Nachteil auf, dass ein Effizienzabfall des Materialabtrags mit zunehmender Bearbeitungstiefe nicht ausgeglichen wird. Mit anderen Worten
wird der Materialabtrag mit zunehmender Bearbeitungstiefe langsamer, so dass dennoch bei steigender Abtragtiefe erneut ein mehrfaches und zeitaufwendiges Überstreichen der Teillaserstrahlen entlang der Trennlinie notwendig ist.
Weiterhin sind Vorrichtungen bekannt (WO 2020/016362A1) mit denen es möglich ist, mithilfe von Mikrolinsenarrays eine Anordnung von entlang einer Linie nebeneinander angeordneten Teillaserstrahlen auszubilden, wobei die Anzahl an Teillaserstrahlen durch eine Variation des Abstandes der verschiedenen Mikrolinsenarrays möglich ist. Hierbei kann die Energie des vom Laser zur Verfügung gestellten Laserstrahls auf mehrere Teillaserstrahlen aufgeteilt werden, sodass die Energie der Teillaserstrahlen mit der Anzahl an Teillaserstrahlen variiert. Dieses Verfahren ist jedoch nicht für das Trennen eines Werkstücks vorgesehen.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Trennen eines Werkstücks entlang einer Trennlinie mittels Laserpulse eines Laserstrahls vorgeschlagen bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Trennen eines Werkstücks entlang einer Trennlinie mittels Laserpulsen eines Laserstrahls 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 eines Werkstücks entlang einer Trennlinie mittels Laserpulsen eines Laserstrahls vorgeschlagen, wobei der Laserstrahl mit einer Strahlteileroptik in mehrere Teillaserstrahlen aufgespaltet wird und jeder der Teillaserstrahlen so mit einer Fokussieroptik auf die Oberfläche und/oder in das Volumen des Werkstücks fokussiert wird, dass die Teillaserstrahlen nebeneinander und voneinander beanstandet entlang der Trennlinie angeordnet sind. Erfindungsgemäß findet durch das Einbringen der Laserpulse in das Werkstück entlang der Trennlinie ein Materialabtrag statt und die Laserleistung wird pro Teillaserstrahl in Abhängigkeit von der im Werkstück erreichten Abtragtiefe angepasst.
Der Laser stellt hierbei die Laserpulse zur Verfügung, wobei sich die Laserpulse entlang einer durch die Optik des Lasers definierten Strahlachse bewegen, wodurch entsprechend entlang dieser Strahlachse der Laserstrahl des Lasers bereitgestellt wird. Bei dem Laser handelt es sich bevorzugt um einen Kurzpulslaser, der Pulse im Nanosekundenbereich bereitstellt, oder um einen
Ultrakurzpulslaser, der Laserpulse im Pikosekundenbereich oder Femtosekundenbereich bereitstellt.
Ultrakurzpulslaser geben Laserpulse mit einer besonders hohen Energiedichte auf einer kleinen Zeitskala ab, wodurch sich besonders scharfe Kanten entlang der Trennlinie ergeben. Die Pulslänge eines ultrakurzen Laserpulses kann hierbei beispielsweise kleiner als 100 ps insbesondere kleiner als 10 ps, besonders bevorzugt kleiner als 1 ,5 ps sein. Die Pulslänge kann beispielsweise aber auch länger als 300 fs sein. Typischerweise beträgt die Pulslänge 1 ps. Die Spitzenfluenz, also die Intensität entweder des einfallenden Laserstrahls oder eines Teillaserstrahls, kann zwischen 0,3 J/cm2 und 30 J/cm2 liegen, typischerweise liegt sie zwischen 1 J/cm2 und 5 J/cm2. Der Fokusdurchmesser des einfallenden Laserstrahls oder eines Teillaserstrahls kann zwischen 1 pm und 100 pm liegen, besonders bevorzugt kann der Fokusdurchmesser 9 pm groß sein.
Der Fokusdurchmesser eines nicht-radialsymmetrischen Strahlprofils kann allgemein über die zweiten Momente der Leistungsdichteverteilung des Strahlprofils definiert werden, wie in ISO 11146-3 „Lasers and laser-related equipment - Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios - Part 3: Intrinsic and geometrical laser beam classification, propagation and details of test methods“ beschrieben, wobei hier die kürzere der beiden Hauptachsen des Strahlprofils als der Fokusdurchmesser angenommen wird.
Der Laserstrahl des Lasers wird durch eine Strahlteileroptik geführt, die beispielsweise einen Strahlteilerwürfel umfasst, der beispielsweise den eintretenden Laserstrahl in zwei gleich intensive Teillaserstrahlen teilt. Eine Strahlteileroptik kann aber auch ein optisches Element umfassen, welches den Strahl in mehrere Teillaserstrahlen aufteilt und die Teillaserstrahlen so umlenkt, dass alle Teillaserstrahlen parallel und in einem bestimmten Abstand zueinander verlaufen. Eine Strahlteileroptik kann auch mehrere optische Elemente umfassen, wobei ein Element den oder die eintretenden Laserstrahlen in mehrere Teillaserstrahlen aufspaltet und ein anderes Element die Teillaserstrahlen in parallele Richtungen umgelenkt.
Eine Strahlteileroptik kann beispielsweise dafür sorgen, dass ein eintretender Laserstrahl in fünf oder zehn oder mehr Teillaserstrahlen aufgespaltet wird.
Durch eine Strahlteileroptik ist es zudem möglich, hohe Pulsenergien eines gepulsten Lasers effizient in verschiedene Teillaserstrahlen zu verteilen, so dass die Effizienz des Bearbeitungsprozesses gesteigert werden kann. Insbesondere können alle Teillaserstrahlen
dieselbe Laserenergie aufweisen, oder aber unterschiedliche Laserenergien aufweisen.
Beispielsweise kann die Schwankung der Laserenergie von Teillaserstrahl zur Teillaserstrahl um bis zu 50% oder mehr betragen. Beispielsweise können die Teillaserstrahlen entlang einer oder mehrerer Richtungen einen Anstieg oder Abfall der Laserenergie aufweisen, so dass das Bündel an Teillaserstrahlen einen Energiegradienten aufweist. Insbesondere können solche Energiegradienten mittels kohärenter Strahlkombination gezielt erzeugt oder einzelne Spots ausgeschaltet werden.
Unter der Trennlinie wird die Linie verstanden, entlang derer das Werkstück getrennt werden soll. Eine Trennlinie kann beispielsweise in Form einer Geraden vorgesehen sein. Eine Trennlinie kann aber auch eine geschwungene Linie sein. Eine Trennlinie kann insbesondere auch ein Teil einer komplexeren Trennungslinie oder Trennungsgeometrie sein.
Wenn beispielsweise aus einem Werkstück eine rechteckige Form herausgeschnitten werden soll, kann die Trennlinie beispielsweise nur eine Seitenlinie des Rechtecks sein, aber auch durch die gesamte auszuschneidende Kontur vorgegeben sein.
Die Teillaserstrahlen sind nebeneinander und voneinander beabstandet entlang der Trennlinie angeordnet. Der Abstand benachbarter Teillaserstrahlen ist hierbei der Abstand entlang der Trennlinie zwischen den geometrischen Zentren der Teillaserstrahlen. Der Abstand kann aber auch entlang der Trennlinie zwischen den Intensitätsmaxima benachbarter Teillaserstrahlen bestimmt werden. Die Start- und Endpunkte der Abstandsmessung können auch diejenigen Punkte sein, bei denen der Laserstrahl bzw. die Strahlachse die Oberfläche des Werkstücks schneidet.
Der Abstand benachbarter Teillaserstrahlen kann für alle benachbarten Teillaserstrahlen gleich groß sein. Beispielsweise kann jeder Teillaserstrahl von seinem Nachbarn 5 pm oder 10 pm oder 100pm entfernt sein. Es kann aber auch sein, dass die Abstände benachbarter Teillaserstrahlen unterschiedlich groß sind. So kann beispielsweise ein Teillaserstrahl zu einem Nachbarn einen Abstand von 5 pm oder mehr aufweisen zum anderen Nachbarn jedoch nur 3 pm oder 10 pm oder weniger.
Insbesondere kann eine flexible Strahlteilung bei der die Teillaserstrahlen einstellbaren Abstände, Spotanzahlen und Spotintensitäten aufweisen, auch durch eine kohärente Strahlkombination (engl. „coherent beam combining“) realisiert werden.
Insbesondere hat jeder Teillaserstrahl nur zwei direkte Nachbarn, da die Teillaserstrahlen entlang der Trennlinie angeordnet sind.
Die Anzahl der Teillaserstrahlen und deren Abstände können so gewählt sein, dass entlang der gesamten gewünschten Trennlinie Teillaserstrahlen beabstandet voneinander angeordnet sind. Mit anderen Worten wird der gesamte zu trennende Bereich, der durch die Trennlinie definiert ist, mit Teillaserstrahlen abgedeckt.
Jeder Teillaserstrahl wird mit einer Fokussieroptik fokussiert. Die Fokussieroptik kann beispielsweise Linsen oder andere beugende Elemente umfassen, die den Teillaserstrahl in eine Fokuszone konvergierend umlenken. Insbesondere bedeutet dies, dass in der Fokuszone die Intensität des Teillaserstrahls auf einen minimalen Raumbereich zusammengeführt wird. Die Fokussieroptik kann beispielsweise für jeden Teillaserstrahl individuell bereitgestellt werden. Bevorzugt werden aber mit einer Fokussieroptik alle Teillaserstrahlen fokussiert.
Es kann auch sein, dass die Fokussieroptik Teillaserstrahlen, die unter verschiedenen Auftreffwinkeln auf die Fokussieroptik fallen, bzw. keine parallelen Strahlachsen aufweisen, auf parallele Strahlachsen umlenkt. Insbesondere bedeutet dies, dass nach dem Durchlaufen der Fokussieroptik alle Teillaserstrahlen parallel zueinander orientiert sind. Es kann aber auch sein, dass die Strahlachsen durch die Fokussieroptik auf zu divergierende oder konvergierende Strahlachsen umgelenkt werden. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn bei einem Materialabtragprozess Abschattungseffekte des Materialrandes in die Prozesszone vermieden werden sollen. Realisiert werden können solche divergenten Strahlachsen beispielsweise mit einem nicht-telezentrischen Objektiv beziehungsweise einem nicht-telezentrischen Optikaufbau.
Beispielsweise kann die Fokussieroptik an die Strahlteileroptik angepasst sein, sodass die von der Strahlteileroptik abgehenden Teillaserstrahlen unter verschiedenen Winkeln auf die Fokussieroptik auftreffen und dann von der Fokussieroptik wieder parallel zueinander orientiert werden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn die Strahlteileroptik im Brennpunkt der Fokussieroptik steht. Beispielsweise können die Fokussieroptik und die Strahlteileroptik auch in konjugierten Ebenen zueinanderstehen.
Die Teillaserstrahlen können auf die Oberfläche und/oder in das Volumen des Werkstücks fokussiert werden. Dies bedeutet, dass die Fokuszone beispielsweise genau auf der Oberfläche des Materials liegt oder in Strahlrichtung unterhalb der Oberfläche des Materials liegt. Bevorzugt werden alle Teillaserstrahlen in dieselbe Ebene fokussiert.
In einer Weitergestaltung, bei der für jeden Teillaserstrahl eine separate Fokussieroptik vorgesehen ist, kann aber auch beispielsweise ein Teillaserstrahl genau auf die Oberfläche fokussiert werden, während ein anderer Teillaserstrahl in das Volumen des Materials fokussiert wird.
Die Teillaserstrahlen werden durch eine Fokussieroptik fokussiert, sodass jeder Teillaserstrahl in einer Fokuszone konvergiert. Dies bedeutet, dass in der Fokuszone die Intensität des Laserstrahls am größten ist. Die geometrische Fokuszone kann hierbei beispielsweise bei einem gaußförmigen Strahlprofil durch einen Fokuspunkt gegeben sein, in dem Intensitätsmaximum des Strahls auftritt. Die geometrische Fokuszone kann aber auch das Intensitätsmaximum eines nicht gaußförmigen Strahls beispielsweise eines Strahls mit Flat-Top Fokuszone oder eines nicht-beugenden Strahls wie beispielsweise eines Besselstrahls oder eines Bessel-ähnlichen Strahls, insbesondere eines Bessel-Gauß Strahls, sein. Die Form der Fokuszonen kann variieren je nach eingesetztem Strahlprofil.
Das Einbringen der Laserpulse in das Werkstück entlang der Trennlinie kann gleichbedeutend damit sein, dass die Laserpulse vom Werkstück ganz oder teilweise absorbiert werden. Beispielsweise kann dies dazu führen, dass das Werkstück durch die Laserpulse stark erhitzt wird. Dies kann dazu führen, dass sich das erhitzte Material des Werkstücks durch Schmelzen oder Sublimieren aus dem Gesamtverbund des Werkstücks herauslöst. Insbesondere kann damit Laserablation oder Laserbohren oder Laserschneiden gemeint sein.
Insbesondere kann mit steigender Bearbeitungstiefe beim Entfernen des Materials aus dem Werkstück die Effektivität des Schneidevorgangs abnehmen. Die Bearbeitungstiefe ist hierbei die Distanz von der ursprünglichen Werkstückoberfläche zur durch die Laserpulse der Teillaserstrahlen durch Abtragungsprozesse erzeugten neuen Werkstückoberfläche im Graben entlang der Trennlinie. Insbesondere kann die Bearbeitungstiefe entlang der Trennlinie verschieden tief sein, beispielsweise weil das Werkstück nicht eben ist, oder uneben auf einem Werkstückhalter platziert ist, oder weil es unterschiedliche Dichten aufweist, oder verschiedene Schichten aufweist, die unterschiedlich auf die eingebrachten Teillaserstrahlen reagieren oder die zum Eingraben des Grabens verwendeten Teillaserstrahlen seit Beginn des Verfahrens unterschiedliche Energien aufwiesen und entsprechend eine unterschiedliche Abtragsgeschwindigkeit der einzelnen von den jeweiligen Teillaserstrahlen bearbeiteten Bereiche der Trennlinie zu unterschiedlichen Bearbeitungstiefen geführt hat.
Die Effektivität des Schneidevorgangs beschreibt hierbei mit wie viel Laserenergie welcher Abtrag bzw. welche Abtragtiefe möglich ist. Beispielsweise kann die Effektivität des Schneidevorgangs mit
steigender Bearbeitungstiefe abnehmen, die Effektivität des Schneidvorgangs kann jedoch auch zunehmen in Abhängigkeit von der Werkstückbeschaffenheit.
Wenn die Laserleistung pro Teillaserstrahl angepasst wird, kann das bedeuten, dass durch die Anpassung mit jedem Teillaserstrahl mehr Laserenergie eingebracht wird, als mit einem nicht angepassten Teillaserstrahl. Es kann aber auch bedeuten, dass mit jedem Teillaserstrahl weniger Laserenergie eingebracht wird, als mit einem nicht angepassten Teillaserstrahl.
Die Anpassung der Laserenergie der Teillaserstrahlen ist abhängig von der Abtragtiefe, was bedeutet, dass hierbei die Effektivität des Materialabtrags in der jeweiligen Abtragtiefe bei der Anpassung der Laserenergie der Teillaserstrahlen berücksichtigt wird. Wenn die Teillaserstrahlen beispielsweise effizient Material aus dem Werkstück in einer ersten Abtragtiefe abtragen und in einer zweiten Abtragtiefe weniger effizient Material abtragen, weil die Laserleistung der Teillaserstrahlen zu gering ist, dann kann die Laserleistung der Teillaserstrahlen erhöht werden.
Die Effizienz des Materialabtrags kann sich aber auch auf den Abtrag pro Zeit beziehen, sodass nach gegebener Zeit über eine gewisse Länge entlang der Trennlinie ein Materialabtrag stattgefunden haben muss. Beispielsweise kann die Laserleistung pro Teillaserstrahl insofern angepasst werden, dass eine maximale Geschwindigkeit des Materialabtrags entlang der Trennlinie erreicht wird. Insbesondere kann auch eine Optimierung bezüglich Abtragtiefe und Abtraglänge entlang der Trennlinie stattfinden. Insbesondere kann auch das Abtragvolumen, also die Gesamtheit an abgetragenem Material des Werkstücks, mit einer Anpassung der Leistung pro Teillaserstrahl optimiert werden.
Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens liegt somit in der Steigerung der Effizienz und der Kantenqualität des Schneideprozesses eines Werkstücks, beispielsweise von Silizium, durch die durchgängige Ausnutzung der verfügbaren Laserleistung. Dabei kann beispielsweise die Abtragleistung pro Zeiteinheit an der jeweiligen durch den jeweiligen Teillaserstrahl bearbeiteten Position im Wesentlichen konstant gehalten werden.
Die Laserleistung kann pro Teillaserstrahl angepasst werden, indem bei gegebener Eingangsleistung des Lasers die Anzahl an Teillaserstrahlen angepasst wird.
Dies kann bedeuten, dass es in einer ersten Abtragtiefe besonders effizient ist, das Material des Werkstücks mit einer ersten Anzahl an Teillaserstrahlen abzutragen. Hierbei wird durch die Strahlteileroptik die Laserleistung des Lasers auf die erste Anzahl an Teillaserstrahlen verteilt.
Beispielsweise kann der Laserstrahl in fünf Teillaserstrahlen aufgespaltet werden, sodass jeder Teillaserstrahl ein Fünftel der Laserenergie in das Werkstück einbringt.
Beispielsweise kann in einer ersten Abtragtiefe die Effizienz des Abtrags mit fünf Teillaserstrahlen sehr hoch sein, die Effizienz des Abtrags in einer zweiten Abtragtiefe mit fünf Teillaserstrahlen jedoch sehr gering sein. Ist dies der Fall, kann für die zweite Abtragtiefe die Anzahl an Teillaserstrahlen beispielsweise auf vier Teillaserstrahlen reduziert werden, so dass mit jedem Teillaserstrahl dann bereits ein Viertel der Laserleistung des Lasers in das Material des Werkstücks eingebracht wird. In dem die Laserleistung der Teillaserstrahlen in der zweiten Abtragtiefe erhöht wird, kann so auch die Effizienz des Abtrag prozesses wieder steigen.
Beispielsweise können aber in einer zweiten Abtragtiefe die fünf Teillaserstrahlen mehr als genügend Energie für den Abtragsprozess in das Werkstück einbringen, sodass die Effizienz des Verfahrens gesteigert werden kann, indem die Anzahl an Teillaserstrahlen von fünf Teillaserstrahlen auf sechs Teillaserstrahlen erhöht wird. Dadurch bringt zwar jeder Teillaserstrahl eine geringere Energie in das Werkstück ein, diese Energie wird jedoch durch eine größere Anzahl an Teillaserstrahlen gleichzeitig in das Werkstück eingebracht, so dass eine Bearbeitung an mehr Positionen gleichzeitig stattfinden kann. Dadurch kann der Abschnitt entlang der Trennlinie, entlang dessen gleichzeitig eine Bearbeitung mit den Teillaserstrahlen durchgeführt wird, erhöht werden, was wiederum den Abtragsprozess effizienter macht.
Die Laserleistung kann pro Teillaserstrahl mit steigender Abtragtiefe erhöht werden.
Das kann bedeuten, dass mit steigender Abtragtiefe beispielsweise die Laserleistung des Eingangslasers erhöht wird, es kann aber auch bedeuten, dass die Anzahl an Teillaserstrahlen mit steigender Abtragtiefe verringert wird, sodass bei gleichbleibender Laserleistung des Lasers zur Verfügung gestellte Laserenergie auf weniger Teillaserstrahlen verteilt wird. Dadurch steigt die Laserenergie, die mit jedem Teillaserstrahl das Werkstück eingebracht werden kann.
Die Strahlteileroptik kann mehrere Mikrolinsenarrays umfassen und beispielsweise aus diesen bestehen. Beispielsweise können vier Mikrolinsenarrays vorgesehen sein.
Mikrolinsenarrays umfassen Anordnungen von mehreren Mikrolinsen. Mikrolinsen sind hierbei kleine Linsen, insbesondere Linsen mit einem typischen Abstand Linsenmitte zu Linsenmitte („Pitch“) von 0,1 bis 10 mm bevorzugt 1 mm, wobei jede Einzellinse der Anordnung die Wirkung einer normalen, makroskopischen Linse aufweisen kann.
Mit den mehreren Mikrolinsenarrays wird aus dem (zumindest im Wesentlichen) kollimierten Eingangslaserstrahl ein Winkelspektrum erzeugt, das mit einer Fourierlinsenanordnung in eine Brennebene abgebildet wird, die typischerweise auf oder in dem zu bearbeitenden Werkstück liegt. Hierbei entstehen, je nach Abstand der Mikrolinsenarrays durch Interferenz- und Beugungseffekte eine Vielzahl an Teillaserstrahlen. Aus der variablen Veränderung des Interferenzmusters folgt eine Variation der Anzahl an Teillaserstrahlen. Die Fluenz und Intensität der Spots der Teillaserstrahlen verhält sich dabei umgekehrt proportional zu der Anzahl an Teillaserstrahlen, wobei die Summe der Laserleistungen der Teillaserstrahlen im Wesentlichen der Laserleistung des Eingangslaserstrahls entspricht.
Die Brennebene wird synonym für die Fokusebene der Teillaserstrahlen verwendet. Die Mikrolinsenarrays reihen Mikrolinsen in (zumindest) einer Richtung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung auf. In der Brennebene wird ein Gesamtstrahlprofil mit gleichmäßigen Abständen der Teillaserstrahlen erzeugt, wobei die Teillaserstrahlen in einer Richtung, beispielsweise derX-Richtung, senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung aufgereiht sind. Damit können die Teillaserstrahlen in der Richtung aufgereiht sein, in der auch die Mikrolinsen (ausgebildet etwa als Zylinderlinsen) aufgereiht sind.
Bevorzugt werden vier Mikrolinsenarrays eingesetzt, die der Laserstrahl durchläuft. Mit vier Mikrolinsenarrays ist einerseits ein noch einfacher und kompakter Aufbau möglich. Andererseits ist die Anzahl an Teillaserstrahlen dabei bereits flexibel einstellbar.
Die Strahlteileroptik kann auch mindestens zwei Mikrolinsenarraypaare umfassen, die je zwei Mikrolinsenarrays umfassen, wobei die Mikrolinsenarrays eines Mikrolinsenarraypaars einen fixen Abstand zueinander aufweisen.
Dies bedeutet, dass beispielsweise ein Mikrolinsenarraypaar relativ zu einem anderen Mikrolinsenarraypaar verschoben werden kann. Beispielsweise kann der Abstand eines ersten Mikrolinsenarrays zu einem dritten Mikrolinsenarray fest vorgegeben sein. Beispielsweise kann gleichzeitig der Abstand eines zweiten Mikrolinsenarrays zu einem vierten Mikrolinsenarray fest vorgegeben sein. Gleichzeitig kann der relative Abstand des ersten Mikrolinsenarraypaars zum zweiten Mikrolinsenarraypaar variiert werden. Es ist aber auch möglich, dass andere Kombinationen von Mikrolinsenarrays miteinander fest verbunden werden, um den Abstand konstant zu halten.
Durch die Anordnung zweier Mikrolinsenarrays in einem festen Abstand können die Freiheitsgrade der optischen Anordnung gezielt beschränkt bzw. vorgegeben werden, um Anzahl an Teillaserstrahlen einfacher einstellen zu können.
Die Laserleistung der Teillaserstrahlen und/oder die Anzahl an Teillaserstrahlen kann angepasst werden, indem die beiden Mikrolinsenarraypaare relativ zueinander verschoben werden.
Durch Verschieben der Mikrolinsenarraypaare zueinander kommt es zu einer Veränderung des Interferenzmusters, sprich zu einer Veränderung der Anzahl an Teillaserstrahlen.
Hierfür kann eine Verstellmechanik verwendet werden, um die optischen Abstände zumindest einiger Mikrolinsenarrays im Strahlengang zu verstellen. Dadurch wird die effektive Brennweite der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays und damit die Anzahl der Teillaserstrahlen einstellbar. Durch eine geeignete Wahl der Verstellpositionen der Verstellmechanik kann erreicht werden, dass eine gleichmäßige Intensitätsverteilung über die verschiedenen Teillaserstrahlen erreicht wird.
Die Verstellmechanik kann hierbei motorisiert sein und eine elektronische Steuervorrichtung aufweisen, wobei in der elektronischen Steuervorrichtung die verschiedenen Verstellpositionen programmiert sind, die mit den verschiedenen Anzahlen an Teillaserstrahlen assoziiert sind, und mittels der elektronischen Steuervorrichtung automatisiert anfahrbar sind. Dadurch ist ein komfortables uns schnelles Umschalten zwischen unterschiedlichen Anzahlen an Teillaserstrahlen möglich, wenn eine nächste Bearbeitungsaufgabe ansteht.
Im Strahlengang selbst können ein erstes und drittes Mikrolinsenarray ortsfest angeordnet sein und im Strahlpfad befindliche zweite und vierte Mikrolinsenarrays können auf einem verfahrbaren Schlitten angeordnet sein oder umgekehrt. Es besteht dann über einen gewissen Verstellbereich des Schlittens ein linearer Zusammenhang zwischen der Anzahl an Teillaserstrahlen und der Schlittenposition, wodurch sich die Zahl der Teillaserstrahlen besonders komfortabel einstellen lässt.
Ein Mikrolinsenarray oder ein Mikrolinsenarraypaar kann konvexe Mikrolinsen umfassen.
Konvexe Mikrolinsen weisen hierbei einen sogenannten virtuellen Brennpunkt in Strahlausbreitungsrichtung vor der Mikrolinse auf. Ein Mikrolinsenarray aus konvexen Linsen wird auch konvexes Mikrolinsenarray genannt.
Fällt der einfallende Laserstrahl auf ein konvexes Mikrolinsenarray, so wird der Strahl aufgeweitet. Insbesondere verringert sich dadurch die Intensität des Laserstrahls in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem konvexen Mikrolinsenarray. Dadurch kann einer Beschädigung der weiteren optischen Elemente im Strahlengang vorgebeugt werden.
Die Teillaserstrahlen können in die gleiche Fokusebene fokussiert werden.
Dies kann bedeuten, dass der Abstand aller geometrischen Fokuspunkte in Teillaserstrahlrichtung den gleichen Abstand zur Oberfläche aufweisen. Beispielsweise können alle Teillaserstrahlen genau auf die Oberfläche fokussiert werden. Alle Teillaserstrahlen können aber auch beispielsweise 10 pm unterhalb der Oberfläche des Werkstücks fokussiert werden. Alle Foki der Teillaserstrahlen können aber auch unabhängig von einer Oberflächentopologie des Werkstücks in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung liegen.
Dies hat den Vorteil, dass der Trennvorgang und die Abtragtiefe gut kontrollierbar sind und eine gleichmäßige Trennungskante entsteht.
Die Teillaserstrahlen können entlang der Trennlinie von ihrer Ursprungsposition um einen Auslenkungsbetrag wegbewegt werden.
Um eine präzise Trennung des Werkstücks zu erreichen, folgt die Bewegung der Teillaserstrahlen bevorzugt der Trennlinie. Insbesondere ist bevorzugt bei einer geraden Trennlinie die Bewegung der Teillaserstrahlen eine der geraden Form der Trennlinie folgende lineare Auslenkung und bei einer gebogenen Trennlinie ist die Auslenkung der Teillaserstrahlen bevorzugt eine der gebogenen Form der Trennlinie folgende Auslenkung.
Die Ursprungsposition ist hierbei die Position, die die Teillaserstrahlen ursprünglich auf der Oberfläche des Werkstücks einnehmen. Insbesondere ist die Ursprungsposition die Position, die die Teillaserstrahlen innehaben, bevor eine Auslenkbewegung bzw. Wegbewegung stattgefunden hat. Der Auslenkungsbetrag ist hierbei der maximale Abstand des bewegten Teillaserstrahls zu seiner Ursprungsposition. Der Auslenkungsbetrag wird analog zum Abstand der verschiedenen Teillaserstrahlen entlang der Trennlinie gemessen.
Während die Teillaserstrahlen bewegt werden, gibt der Laser Laserpulse ab. Durch die Bewegung ist es so möglich entlang der Trennlinie die Laserpulse einzubringen. Insbesondere ist es so möglich, dass entlang der gesamten Trennlinie Laserpulse in das Werkstück eingebracht werden.
Beispielsweise können die Teillaserstrahlen mit einem Scannersystem entlang der Trennlinie bewegt werden, so dass die Laserstrahlen entlang der Trennlinie in das Werkstück eingebracht werden und das Werkstück entlang der Trennlinie getrennt wird. Insbesondere kann dies durch ein Scannersystem erreicht werden, welches in Strahlausbreitungsrichtung bevorzugt hinter der Strahlteileroptik angeordnet sein kann und die Teillaserstrahlen entlang der Trennlinie führt.
Bevorzugt wird die Bewegung der Teillaserstrahlen mit der Repetitionsrate des den Laserstrahl bereitstellenden Lasers korreliert, um einen gleichmäßigen Materialabtrag zu gewährleisten.
Entsprechend kann bei einer konstanten Geschwindigkeit der Bewegung der Teillaserstrahlen die Repetitionsrate bzw. Pulsrate des Lasers so gewählt werden, dass die Trennlinie lückenlos überstrichen wird. Beispielsweise kann dies bedeuten, dass bei einer Bewegungsgeschwindigkeit von 10 pm/ps und einem Fokusdurchmesser von 1 pm die Repetitionsrate 10 MHz betragen muss. Dadurch ist gewährleistet, dass der Teillaserstrahl bei seiner Bewegung jeden Punkt der Trennlinie überstreicht und Laserpulsenergie einbringt. Insbesondere kann dies aber auch bedeuten, dass die Repetitionsrate deutlich schneller gewählt wird, so dass die Fokuszonen aufeinanderfolgend eingebrachter Laserpulse derselben Teillaserstrahlen überlappen, also der Abstand aufeinanderfolgend eingebrachter Laserpulse kleiner als der Fokusdurchmesser oder der Durchmesser der Fokuszone ist.
Ist die Bewegungsgeschwindigkeit hingegen nicht konstant, so kann die Repetitionsrate oder die Pulsrate an die Geschwindigkeit der Bewegung angepasst werden. Beispielsweise können bei einer nicht-gleichförmigen Bewegung entlang der Trennlinie bei langsamen Bewegungsabschnitten, wo die Geschwindigkeit der Bewegung besonders klein ist, wenige Laserpulse eingebracht werden, während bei den schnellen Bewegungsabschnitten der Bewegung, wo die Bewegungsgeschwindigkeit groß ist, besonders viele Laserpulse eingebracht werden müssen. Beispielsweise kann somit die Pulsrate invers-proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit sein. Insbesondere kann dies auch auf die weiter unten besprochenen periodischen Bewegungen zutreffen.
Somit ist es möglich, die Laserenergie der Teillaserstrahlen gleichmäßig verteilt entlang der Trennlinie einzubringen, sodass ein gleichmäßiger Materialabtrag gewährleistet ist. Insbesondere drückt sich ein gleichmäßiger Materialabtrag dadurch aus, dass die Abtragtiefe entlang der Trennlinie im Wesentlichen gleich groß ist (sofern die Materialoberfläche eben ist).
Die Teillaserstrahlen können entlang der Trennlinie von ihrer Ursprungsposition erst um einen Auslenkungsbetrag wegbewegt werden, wobei der Auslenkungsbetrag kleiner gleich dem Abstand zweier benachbarter Teillaserstrahlen ist, bevorzugt gleich dem Abstand der Teillaserstrahlen ist, und anschließend entlang der Trennlinie in die Ursprungsposition zurückbewegt werden, wobei die Bewegung insbesondere eine periodische Bewegung sein kann.
Der Auslenkungsbetrag ist kleiner gleich dem Abstand zweier benachbarter Teillaserstrahlen, bevorzugt gleich dem Abstand der Teillaserstrahlen. Dies kann insbesondere bedeuten, dass ein erster Teillaserstrahl durch die Bewegung auf die Ursprungsposition des benachbarten zweiten Teillaserstrahls bewegt wird. Gleichzeitig kann beispielsweise der zweite Teillaserstrahl auf die Ursprungsposition eines benachbarten dritten Teillaserstrahls bewegt werden, wobei der dritte Teillaserstrahl und der erste Teillaserstrahl nicht identisch sind usw. Hierdurch wird sichergestellt, dass entlang der gesamten Trennlinie Laserpulse in das Werkstück eingebracht werden.
Der erste Teillaserstrahl kann aber auch lediglich bis zur Hälfte des Abstands zum benachbarter Teillaserstrahlen bewegt werden. Die Teillaserstrahlen können sich auch in Richtung der Trennlinie zwei Drittel des Abstandes bewegen und sich anschließend nach Zurückkehren in die Ursprungsposition entgegen der Trennlinie ein Drittel des Abstandes bewegen. Insbesondere ist eine Bewegung entlang beider Richtungen der Trennlinie möglich.
Die Teillaserstrahlen werden nach der Auslenkung wieder entlang der Trennlinie in die Ursprungsposition zurückbewegt. Die Zurückbewegung kann beispielsweise mit betragsmäßig derselben Geschwindigkeit wie die vorherige Bewegung von statten gehen. Es kann aber auch sein, dass die Zurückbewegung ein anderes Geschwindigkeitsprofil aufweist.
Bevorzugt führen alle Teillaserstrahlen gleichzeitig die gleiche Bewegung durch.
Während die Teillaserstrahlen bewegt werden, gibt der Laser Laserpulse ab. Durch die Bewegung ist es so möglich, entlang der Trennlinie die Laserpulse einzubringen. Das Einbringen der Laserpulse kann gleichbedeutend damit sein, dass die Laserpulse vom Material ganz oder teilweise absorbiert werden. Beispielsweise kann dies dazu führen, dass das Material durch die Laserpulse stark erhitzt wird. Dies kann dazu führen, dass sich das erhitzte Material aus dem Gesamtverbund des Materials herauslöst.
Das hat den Vorteil, dass die abgefahrene Linie pro Teillaserstrahl, also der Auslenkungsbetrag, deutlich kürzer sein kann, als wenn eine Anordnung von Teillaserstrahlen, also die Gesamtheit von
Teillaserstrahlen die durch die Strahlteileroptik erzeugt wird, über das komplette Werkstück geführt werden muss. Somit kann eine aufwändige Achs- bzw. Scannerpositionierung und -Ausrichtung für den eigentlichen Trennvorgang entfallen. Es entfällt beispielsweise auch das Überfahren über die Ränder des Werkstücks hinaus, wobei die Werkstückaufnahme beschädigt werden kann. Insgesamt können mit dem Verfahren einzelne Bauteile auf dem Werkstück, beispielsweise auf einem Silizium-Wafer bearbeitet werden, ohne dass der komplette Wafer auf einmal bearbeitet werden muss. Somit wird insgesamt die Flexibilität bezüglich unterschiedlicher Bauteilgeometrie in auf dem Werkstück erhöht.
Eine periodische Bewegung bedeutet, dass die Teillaserstrahlen ausgehend von ihrer Ursprungsposition ausgelenkt werden und nach einem festen zeitlichen Abstand wieder zu ihrer Ursprungsposition zurückkehren. Insbesondere kann dies bedeuten, dass die Auslenkung entlang der Trennlinie erfolgt und die Teillaserstrahlen nach Erreichen des Auslenkungsbetrags abermals in die Ursprungsposition zurückkehren und danach eine Auslenkung entgegen der Trennlinie erfolgt und die Teillaserstrahlen nach Erreichen des Auslenkungsbetrags abermals in die Ursprungsposition zurückkehren. Es kann aber auch sein, dass die periodische Bewegung zwischen dem Ursprungsort eines Teillaserstrahls und dem Ursprungsort eines benachbarten Teillaserstrahls stattfindet.
Mit anderen Worten führen die Teillaserstrahlen ausgehend von der Ausgangsposition eine Wobbelbewegung, bevorzugt eine periodische Wobbelbewegung, entlang der Trennlinie aus.
Bevorzugt wird die Ursprungsposition nach Durchführung mindestens einer Bewegung der Teillaserstrahlen von der Ursprungsposition um einen Auslenkungsbetrag weg und wieder zurück in die Ursprungsposition um einen Verschiebungsbetrag entlang der Trennlinie verschoben und die Bewegung der Teillaserstrahlen wird erneut ausgeführt. Der Verschiebungsbetrag kann hierbei insbesondere auch mit einem Scannersystem erfolgen. Diese Ausgestaltung wird bevorzugt gewählt, wenn das Bündel der Teillaserstrahlen nicht die gesamte Trennlinie überdecken kann oder wenn der Vorschubbewegung noch eine Scanbewegung überlagert werden soll, beispielsweise bei hohen Geschwindigkeiten und/oder komplexen Strukturen, und die Trennung entlang der Trennlinie entsprechend nach und nach durchgeführt werden muss. Der Verschiebungsbetrag entspricht dabei bevorzugt der in Trennlinienrichtung liegenden Ausdehnung des Bündels der Teillaserstrahlen.
Mit anderen Worten wird die durch das Bündel der mit der Weg- und Zurückbewegung beaufschlagten Teillaserstrahlen vorgegebene gleichzeitige Bearbeitungsbreite als
Verschiebungsbetrag verwendet, so dass die gleichzeitigen Bearbeitungsbreiten nacheinander nebeneinandergesetzt werden. Dadurch findet ein Bearbeiten beziehungsweise Trennen des Werkstücks entlang der Trennlinie zunächst in einer ersten Bearbeitungsbreite statt und nach Abschluss des Trennens dieses der Bearbeitungsbreite entsprechenden Abschnitts der Trennlinie wird das Bündel an Teillaserstrahlen um den Verschiebungsbetrag verschoben, so dass hier wiederum ein Trennen in Bearbeitungsbreite stattfinden kann.
Bevorzugt ist es jedoch, wenn jede aus dem Werkstück herauszutrennende Struktur mit einer Bearbeitungsbreite des Bündels an Teillaserstrahlen ohne Verschiebung herausgetrennt werden kann. Dazu wird die Anzahl der Teillaserstrahlen sowie deren Abstände zueinander bevorzugt so angepasst, dass eine gleichzeitige Bearbeitung der gesamten für die jeweilige Struktur wesentlichen Länge erreicht werden kann. Mit anderen Worten wird bevorzugt versucht, beispielsweise eine Seite eines Chips gleichzeitig zu schneiden.
Die Trennlinie kann gerade sein und die periodische Bewegung der Laserstrahlen kann eine lineare Auslenkung sein.
Dies kann bedeuten, dass die Trennlinie insbesondere nicht gekrümmt ist, also keine geometrische Krümmung aufweist. Die Teillaserstrahlen können nur entlang der Trennlinie bewegt werden, daher findet eine lineare Auslenkung statt, wenn die Teillaserstrahlen über eine gerade Trennlinie geführt werden.
Mit anderen Worten liegen die Teillaserstrahlen bevorzugt immer auf der Trennlinie, auch während der Durchführung ihrer Wobbelbewegung.
Bevorzugt wird die Ausgangsposition nach Durchführung mindestens einer Bewegung der Teillaserstrahlen von der Ausgangsposition um einen Auslenkungsbetrag weg und wieder zurück in die Ausgangsposition um einen Verschiebungsbetrag entlang der Trennlinie verschoben und die Bewegung der Teillaserstrahlen wird erneut ausgeführt. Diese Ausgestaltung wird bevorzugt gewählt, wenn das Bündel der Teillaserstrahlen nicht die gesamte Trennlinie überdecken kann und die Trennung entlang der Trennlinie entsprechend nach und nach durchgeführt werden muss. Der Verschiebungsbetrag entspricht dabei bevorzugt der in Trennlinienrichtung liegenden Ausdehnung des Bündels der Teillaserstrahlen.
Mit anderen Worten wird die durch das Bündel der mit der Weg- und Zurückbewegung beaufschlagten Teillaserstrahlen vorgegebene gleichzeitige Bearbeitungsbreite als
Verschiebungsbetrag verwendet, so dass die gleichzeitigen Bearbeitungsbreiten nacheinander nebeneinandergesetzt werden. Dadurch findet ein Bearbeiten beziehungsweise Trennen des Werkstücks entlang der Trennlinie zunächst in einer ersten Bearbeitungsbreite statt und nach Abschluss des Trennens dieses der Bearbeitungsbreite entsprechenden Abschnitts der Trennlinie wird das Bündel an Teillaserstrahlen um den Verschiebungsbetrag verschoben, so dass hier wiederum ein Trennen in Bearbeitungsbreite stattfinden kann.
Die periodische Bewegung der Teillaserstrahlen kann durch eine periodische Bewegung der Fokussieroptik erzeugt werden.
Entsprechend kann die Fokussieroptik mechanisch bewegt werden, beispielsweise lateral, also senkrecht zur Strahlrichtung verschoben werden. Damit kann aber auch gemeint sein, dass die Fokussieroptik in einem Winkel zur Strahlrichtung verkippt wird.
Durch die unterschiedlichen Auftrefforte der Teillaserstrahlen auf die Fokussieroptik durchlaufen die Teillaserstrahlen andere Strahlengänge durch die Fokussieroptik, so dass die Teillaserstrahlen nach Verlassen der Fokussieroptik auf einen anderen Ort im oder auf dem Werkstück abgebildet werden. Die Bewegungsamplitude der Fokussieroptik definiert somit weitestgehend den Auslenkungsbetrag entlang der Trennlinie. Ist die Fokussieroptik nicht ausgelenkt, so wird durch die Abbildung der Teillaserstrahlen auf das Werkstück die Ursprungsposition der Teillaserstrahlen auf dem Werkstück festgelegt.
Bei Verwendung eines Mikrolinsenarrays kann insbesondere durch Verschieben eines Elements innerhalb der Mikrolinsenarrays-Anordnung eine Bewegung der Teillaserstrahlen erzeugt werden.
Der gepulste Laser kann ein Ultrakurzpulslaser sein.
Ein Ultrakurzpulslaser gibt Laserpulse mit einer besonders hohen Leistungsdichte auf einer kleinen Zeitskala ab, wodurch sich besonders scharfe Kanten entlang der Trennlinie ergeben können. Die Pulslänge eines ultrakurzen Laserpulses kann hierbei beispielsweise kleiner als 100 ps insbesondere kleiner als 10 ps, besonders bevorzugt kleiner als 1 ,5 ps sein. Die Pulslänge kann beispielsweise aber auch länger als dreihundert Femtosekunden sein. Typischerweise beträgt die Pulslänge 1 ps. Die Spitzenfluenz, also die Intensität entweder des einfallenden Laserstrahls oder eines Teillaserstrahls kann zwischen 0,3 J/cm2 und 30 J/cm2 liegen, typischerweise liegt sie zwischen 1 J/cm2 und 5 J/cm2. Der Fokusdurchmesser des einfallenden Laserstrahls oder eines
Teillaserstrahls kann zwischen 1 pm und 100 pm liegen, besonders bevorzugt kann der Fokusdurchmesser 9 pm groß sein.
Die Teillaserstrahlen und das Werkstück können relativ zueinander verschoben werden, insbesondere können sie mit einem Vorschub entlang einer Vorschubrichtung verschoben werden.
Eine Verschiebung von Teillaserstrahlen und Werkstück relativ zueinander bedeutet, dass sich sowohl die Teillaserstrahlen und/oder das Werkstück bewegen können, wobei durch die Bewegung eines oder beider Objekte ein Versatz der Teillaserstrahlen relativ zu der Ursprungsposition beider Objekte erreicht wird.
Insbesondere kann die Verschiebung mit einem Scanner oder Achssystem erreicht werden, beispielsweise einer XYZ-Bühne, die beispielsweise das Werkstück in allen Raumrichtungen verschieben kann. Diese Verschiebung kann mit einer Wobbelbewegung überlagert sein.
Der Vorschub kann eine Vorschubgeschwindigkeit entlang einer Vorschubrichtung aufweisen. Dies bedeutet das die Relativbewegung eine gewisse Geschwindigkeit hat, sodass die Teillaserstrahlen mit einer gewissen Geschwindigkeit relativ über das Werkstück geführt werden. Insbesondere ist der Vorschubgeschwindigkeitsvektor parallel zur Trennlinie ausgerichtet, sprich die Vorschubrichtung ist durch die Trennlinie gegeben. Da während der Bewegung durch den gepulsten Laser Laserpulse in das Werkstück eingebracht werden, findet ein Materialabtrag entlang der Trennlinie statt.
Der Eingangslaserstrahl und/oder die Teillaserstrahlen können beim Durchlauf durch ein doppelbrechendes Polarisatorelement in zwei zueinander orthogonale Polarisationskomponenten zerlegt werden.
Unter Doppelbrechung wird die Fähigkeit eines optischen Materials verstanden, den einfallenden Laserstrahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teillaserstrahlen zu trennen. Dies geschieht aufgrund unterschiedlicher Brechungsindizes des optischen Materials in Abhängigkeit von der Polarisation und dem Einfallswinkel des Lichts relativ zur optischen Achse des optischen Materials.
Im Sinne dieser Anmeldung werden unter senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen linear polarisierte Teillaserstrahlen verstanden, deren Polarisationsrichtungen und einem Winkel von 90° zueinander ausgerichtet sind. Unter senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen werden aber auch zirkular polarisierte Teillaserstrahlen mit entgegengesetztem Drehsinn verstanden, d.h. zwei links bzw. rechts zirkular polarisierte Teillaserstrahlen. Die Umwandlung von
linear polarisierten Teillaserstrahlen mit senkrecht zueinander ausgerichteten
Polarisationsrichtungen in zirkular polarisierte Teillaserstrahlen mit entgegengesetztem Drehsinn kann z.B. mit Hilfe einer geeignet orientierten Verzögerungsplatte (A/4-Platte) erfolgen.
Die vom doppelbrechenden Polarisationselement nach Polarisationskomponenten zerlegten auslaufenden Laserstrahlen können einen Winkelversatz und/oder einen Ortsversatz zueinander aufweisen.
Auch dies lässt sich mit der Anisotropie der Brechungsindizes für verschiedene Polarisationsrichtungen des optischen Materials des Polarisationselements begründen.
Beispielsweise können die Teillaserstrahlen nach Durchlauf durch das doppelbrechende Polarisationselement einen Winkelversatz aufweisen. Dies bedeutet, dass der Teillaserstrahl mit einer ersten Polarisation hinter dem doppelbrechenden Polarisationselement nicht parallel zum Teillaserstrahl mit einer zweiten Polarisation verläuft.
Zur Erzeugung des Winkel Versatzes (ohne Ortsversatz) kann das doppelbrechende Polarisatorelement eine Strahlaustrittsfläche aufweisen, die unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche geneigt ist. Die optische Achse des doppelbrechenden Kristalls ist in diesem Fall typischerweise parallel zur Strahleintrittsfläche ausgerichtet. Die beiden Teillaserstrahlen treten in diesem Fall an der Strahlaustrittsfläche an demselben Ort und mit einem definierten Winkelversatz aus dem doppelbrechenden Kristall aus.
Beispielsweise können die Teillaserstrahlen nach Durchlauf durch das doppelbrechende Polarisationselement einen Ortsversatz aufweisen. Dies bedeutet, dass der Teillaserstrahl mit der ersten Polarisation hinter dem doppelbrechenden Polarisationselement parallel zum Teillaserstrahl mit der zweiten Polarisation verläuft. Allerdings sind beide Teillaserstrahlen parallel zueinander verschoben, sodass es einen endlichen Abstand zwischen beiden Teillaserstrahlen gibt.
Zur Erzeugung des Ortsversatzes (ohne Winkelversatz) kann das doppelbrechende Polarisatorelement beispielsweise parallel ausgerichtete, in der Regel plane Strahleintritts- und Strahlaustrittsflächen aufweisen. Die optische Achse des doppelbrechenden Kristalls ist in diesem Fall typischerweise unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche ausgerichtet. Trifft der Eingangslaserstrahl senkrecht auf die Strahleintrittsfläche, wird an der Strahlaustrittsfläche ein reiner Ortsversatz erzeugt.
Die Abstände der einzelnen Teillaserstrahlen mit unterschiedlicher Polarisation können über das Polarisationselement festgelegt werden, beispielsweise bei der Herstellung oder durch Orientierung der optischen Achse des Kristalls zum einfallenden Laserstrahl.
Die nebeneinander und beabstandet voneinander entlang der Trennlinie angeordneten Teillaserstrahlen können eine alternierende Polarisation aufweisen.
Die Polarisation ist alternierend, wenn benachbarte Teillaserstrahlen eine zueinander orthogonale Polarisation aufweisen. Beispielsweise ist die Polarisation alternierend, wenn ein erster Teillaserstrahl rechts zirkular polarisiert ist, ein zweiter Teillaserstrahl links zirkular polarisiert ist, ein dritter Teillaserstrahl rechts zirkular polarisiert ist usw. Beispielsweise ist die Polarisation alternierend, wenn ein erster Teillaserstrahl entlang der Trennlinie polarisiert ist, ein zweiter Teillaserstrahl orthogonal zur Trennlinie polarisiert ist, ein dritter Teillaserstrahl entlang der Trennlinie polarisiert ist usw.
Wird ein Laserstrahl, der z.B. von einem Single-Mode Laser erzeugt wird und ein Gauß-förmiges Strahlprofil aufweist, in zwei oder mehr Teillaserstrahlen aufgeteilt und die Teillaserstrahlen werden zumindest teilweise überlagert, kann dies zu unerwünschten Interferenz-Effekten führen, wenn die Teillaserstrahlen die gleiche oder eine ähnliche Polarisation aufweisen. Daher können bei der Fokussierung der Teillaserstrahlen die Fokuszonen bzw. die Fokusquerschnitte nicht beliebig nahe beieinander liegen, so dass die Teillaserstrahlen in der Regel an voneinander beabstandeten Fokuszonen auf dem Werkstück fokussiert werden.
Bei der Nutzung von Teillaserstrahlen, die senkrecht aufeinander stehende Polarisationszustände aufweisen, kommt es bei der (teilweisen) Überlagerung nicht zu Interferenzeffekten der Laserstrahlung aus unterschiedlichen Orts- oder Winkelbereichen, sofern der Polarisationszustand der jeweiligen Teillaserstrahlen einheitlich über den gesamten relevanten Strahlquerschnitt bzw. die jeweilige Fokuszone ist. Die Polarisation eines jeweiligen Teillaserstrahls sollte daher ortsabhängig über den Strahlquerschnitt bzw. über die Fokuszone möglichst wenig variieren. In diesem Fall können die Fokuszonen beliebig nahe aneinander liegen, sich teilweise oder ggf. vollständig überlappen und sogar homogene Fokuszonen ausbilden, und zwar sowohl transversal, d.h. senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Teillaserstrahlen, als auch longitudinal, d.h. in Ausbreitungsrichtung der Teillaserstrahlen.
Die Polarisation jedes Teillaserstrahls kann entlang der Trennlinie oder orthogonal zur Trennlinie ausgerichtet sein.
Entlang der Trennlinie polarisiert kann bedeuten, dass bei einer linearen Polarisation die Polarisationsachse parallel zur Trennlinie steht. Bei gekrümmten Trennlinien kann dies bedeuten, dass die Polarisationsachse tangential zur Trennlinie steht, wobei der Fokuspunkt auf der Trennlinie liegt. Insbesondere kann dies bei einer geraden Trennlinie bedeuten, dass die Polarisationsachse komplett auf der Trennlinie steht.
Orthogonal zur Trennlinie ausgerichtet kann bedeuten, dass einer linearen Polarisation die Polarisationsachse orthogonal zur Trennlinie steht. Bei gekrümmten Trennlinien kann dies bedeuten, dass die Polarisationsachse orthogonal zur Tangenten der Trennlinie steht wobei der Fokuspunkt auf der Trennlinie liegt und die Tangente im Fokuspunkt gebildet wird.
Beispielsweise kann bei einem Silizium-Wafer bei einer Polarisation senkrecht zu einer Vorschubrichtung, also senkrecht zur Trennlinie ein qualitativ hochwertigeres Schneideergebnis, mit beispielsweise erhöhter Bruchfestigkeit erzielt werden. Mit einer Polarisation parallel zur Vorschubrichtung kann beispielsweise Werkstück mit hoher Effizienz abgetragen werden.
Die Wirkung der Polarisation kann jedoch materialabhängig auch genau umgekehrt oder anders sein, so dass bei einer Polarisation parallel zur Vorschubrichtung ein qualitativ hochwertigeres Schneideergebnis erzielt werden kann, als mit einer Polarisation senkrecht zur Vorschubrichtung. In jedem Fall kann die Schneidequalität über die Polarisation beeinflusst werden.
Durch eine Verzögerungsplatte und/oder ein Verzögerungselement und ein Filterelement können alle Teillaserstrahlen dieselbe Polarisation aufweisen.
Beispielsweise kann eine Verzögerungsplatte eine A/2-Platte sein, mit der eine lineare Polarisation des einfallenden Laserlichts gedreht werden kann. Beispielsweise kann durch eine A/2-Platte eine p-Polarisation in eine s-Polarisation überführt werden. Eine Verzögerungsplatte kann auch eine A/4- Platte sein, mit der eine Zirkularpolarisation in eine lineare Polarisation überführt wird.
Beispielsweise kann der einfallende Laserstrahl eine Zirkularpolarisation aufweisen und nachdem das Laserlicht die A/4-Platte passiert hat, eine p-Polarisation aufweisen.
Ein Filterelement kann beispielsweise ein Polarisator sein, beispielsweise ein Dünnschichtpolarisator, oder ein anderes Polarisatorelement. Das Filterelement kann insbesondere hinter dem Polarisatorelement der Bearbeitungsoptik angebracht werden. Insbesondere kann das Filterelement auch in den Strahlengang geschaltet werden bzw. ausgeschaltet werden.
Dadurch kann erreicht werden, dass eine der Polarisation aus dem Strahlengang nach dem Polarisatorelement herausgefiltert wird, sodass nur noch Teillaserstrahlen mit einer Polarisationsrichtung in das Werkstück eingebracht werden.
Der gesamte Trennprozess kann in verschiedene Teiltrennprozesse aufgeteilt werden, wobei jeder Teilprozess entweder mit p- oder s-polarisierten Teillaserstrahlen oder mit Teillaserstrahlen unterschiedlicher Polarisationen durchgeführt wird.
Das Verwenden von Teillaserstrahlen mit unterschiedlicher Polarisation ist insofern vorteilhaft, weil die unterschiedlichen Polarisationsrichtungen relativ zur Trennlinie auf die Abtragtiefe pro Puls, sowie auf die Qualität der Abtragskante auswirkt. Beispielsweise ist eine Polarisation parallel zur Vorschubrichtung dazu geeignet einem besonders effizienten Materialabtrag pro Laserpuls zu ermöglichen. Eine Polarisation senkrecht zur Vorschubrichtung kann hingegen besonders glatte Kanten mit hoher Bruchfestigkeit erzeugen.
Beispielsweise kann einem ersten Schritt eine gewisse Abtragtiefe mit Teillaserstrahlen erreicht werden die parallel zur Vorschubrichtung polarisiert sind. Beispielsweise kann einem zweiten Schritt die Schnittkante mit Teillaserstrahlen nachgearbeitet werden, die senkrecht zur Trennlinie polarisiert sind. Insbesondere ist es auch möglich verschiedene Reihenfolgen festzulegen, nach denen die Trennlinie mit den Teillaserstrahlen verschiedener Polarisation abgefahren wird. Insbesondere ist es auch möglich, dass gleichzeitig Teillaserstrahlen mit unterschiedlicher Polarisation eingebracht werden.
Beispielsweise können die Teillaserstrahlen unterschiedlicher Polarisation nebeneinander platziert werden. Durch die unterschiedlichen Polarisationen treten keine störenden Interferenzeffekte zwischen benachbarten Teillaserstrahlen auf, so dass die Teillaserstrahlen nahe beieinander platziert werden können.
Somit kann eine Effizienz- und Qualitätssteigerung durch die Bearbeitung des Werkstücks mit verschiedenen Polarisation entlang oder senkrecht zur Trennlinie in verschiedenen Bearbeitungssituation im verschiedenen Bearbeitungsstrategien erreicht werden.
Die Polarisation der Teillaserstrahlen kann beispielsweise über einen Polarisator festgelegt werden. Das kann beispielsweise ein Dünnfilmpolarisator sein, der lediglich Teilstrahlen einer Polarisation durchlässt. Ein solcher Polarisator kann beispielsweise in den Strahlengang eingebracht werden, bevor die Teillaserstrahlen auf das Werkstück gelenkt werden. Insbesondere kann die Polarisation
der Teilstrahlen auch direkt durch das Polarisatorelement festgelegt werden, wobei die Ausrichtung der optischen Achse zum Einfallsstrahl angepasst werden kann. Somit ist es möglich, die Polarisation der Teilstrahlen zu bestimmen und auszuwählen.
Bei abwechselnder Nutzung von paralleler und senkrechter Polarisation können die Effekte bezüglich der Qualität und der Effizienz simultan genutzt werden. Ebenfalls ist eine Einteilung des Prozesses in zwei bzw. drei oder mehr Prozessschritte möglich. Dabei kann beispielsweise zu Prozessbeginn mittels Teillaserstrahlen mit alternierender Polarisation oder ausschließlich paralleler Polarisation eine hohe Effizienz und eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Prozesses erreicht werden. Zum Abschluss des Prozesses kann beispielsweise mittels einer A/2-Platte oder dem Schalten eines Flüssigkristall, Flüssigkristall-Display, Lithiumniobatkristall oder eine Pockelszelle die Polarisation um 90° rotiert werden, so dass mit senkrecht zur Vorschubrichtung ausgerichteter Polarisation eine qualitative Verbesserung des Werkstücks erzielt wird.
Das Werkstück kann ein Wafer, insbesondere ein Silizium-Wafer sein, aus dem einzelne Chips herausgetrennt werden sollen.
Insbesondere kann in der Chipfertigung dadurch erreicht werden, dass die Wafer nur noch genau positioniert werden müssen, aber nicht mehr ausgerichtet werden müssen. Das bedeutet, dass die Ausrichtung entlang einer Vorschubachse über den Wafer nicht mehr über die gesamte Waferbreite um wenige Mikrometer abweichen darf.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 A, B eine schematische Darstellung des Verfahrens ohne Anpassung der Laserintensität;
Figur 2 A, B, C eine Skizze zur Abstandsbestimmung der Teillaserstrahlen;
Figur 3 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit von Laserintensität zur Anzahl an Teillaserstrahlen
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Mikrolinsenarrayoptik.
Figur 5 eine schematische Darstellung der Zeitabhängigkeit beim Einbringen der Teillaserstrahlen mit periodischer Auslenkung;
Figur 6 eine schematische Darstellung der Polarisatorelemente;
Figur 7 eine schematische Darstellung der Bearbeitungsoptik und des Strahlengangs;
Figur 8 eine schematische Darstellung des Verfahrens;
Figur 9 eine weitere schematische Darstellung des Verfahrens;
Figur 10 Messkurven zur Bestimmung der Ablationseffizienz;
Figur 11 Messkurven zur Bestimmung der Ablationseffizienz;
Figur 12 Messkurven zur Bestimmung der Ablationseffizienz; und
Figur 13 ein Vergleich des Materialabtrags für verschiedene Parameter.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele
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 Figur 1 ist schematisch ein Verfahren zum Trennen eines Werkstücks 1 , beispielsweise zum Trennen eines Wafers aus Silizium, zu zwei verschiedenen Zeiten gezeigt.
In Figur 1 A wird ein Teillaserstrahl 26 in ein Werkstück 1 eingebracht, wobei durch die Laserpulse, die entlang des Teillaserstrahls 26 laufen, das Werkstück 1 in der Fokuszone beispielsweise erhitzt wird, so dass sich das erhitzte Material des Werkstücks 1 aus dem umgebenden Gesamtverbund herauslöst. Dieser Prozess wird Laserablation oder Laserbohren oder Laserschneiden genannt.
Zu Beginn des Prozesses in Figur 1A, zu dem die Oberfläche 12 noch eben ist, also insbesondere unbehandelt ist, trifft der Teillaserstrahl 26 beispielsweise überall senkrecht auf die Oberfläche 12. Der Teillaserstrahl 26 weist einen Strahlquerschnitt auf, beispielsweise einen symmetrischen Strahlquerschnitt beispielsweise durch ein Gauß-förmiges Strahlprofil, so dass die Laserintensität im Fokus des Strahls in lateraler Richtung am größten ist und zum Rand des Strahls hin abfällt.
Dementsprechend wird das Werkstück in der Mitte des Strahls stärker erhitzt als an den Rändern des Strahls, sodass das Material, welches durch die Mitte des Strahls erhitzt wird, eher aus dem Werkstück herausgelöst wird, als am Rande des Strahls. Dadurch ist die Abtragtiefe pro Puls ungleichmäßig über den Strahlquerschnitt verteilt, wodurch quasi der Boden des Bohrlochs uneben wird.
Des Weiteren liegt zu Beginn des Bearbeitungsvorgangs ein Großteil der Fokuszone unterhalb der Oberfläche 12 bzw. im Volumen des Werkstücks 1 , sodass pro Laserpuls verhältnismäßig viel Laserenergie vom Material des Werkstücks 1 absorbiert wird, wodurch der Bearbeitungsprozess sehr effektiv wird.
In Figur 1 B ist gezeigt, dass sich diese Unebenheit mit fortschreitender Abtragtiefe verstärkt, weil der Teillaserstrahl 26 mit radial abfallenden Strahlprofil immer mehr Material aus der Mitte des Bohrlochs herauslöst, als am Rande des Strahls. Insbesondere formt sich das Bohrloch entsprechend der Intensitätsverteilung im Strahlprofil, sodass bei fortschreitendem Bearbeitungsprozesses die Fläche, die vom Laserstrahl bearbeitet wird, deutlich anwächst und die Intensität dafür abfällt. Dadurch sinkt insbesondere die Effizienz des Bearbeitungsprozesses des Materialabtrags. Um die Effizienz des Bearbeitungsprozesses zu erhöhen ist es daher notwendig die Intensität des Teillaserstrahls 26 mit steigender Abtragtiefe zu erhöhen.
Figur 2A zeigt eine Skizze zur Verdeutlichung der Abstandsbestimmung der Teillaserstrahlen 26 zueinander. Hierbei wird angenommen, dass die Oberfläche 12 des Werkstücks 1 eine Krümmung aufweist oder uneben ist. Die Abstandsbestimmung ist aber analog für flache Oberflächen 12 durchzuführen. Eine Strahlteileroptik teilt den Laserstrahl 2 in diesem Falle in einen ersten Teillaserstrahl 260 und einen zweiten Teillaserstrahl 262. Der erste Teillaserstrahl 260 verläuft im Wesentlichen parallel zu dem zweiten Teillaserstrahl 262, wobei die Fokuszone 24 des ersten Teillaserstrahls 260 im Volumen des Werkstücks 1 liegt und die Fokuszone 24 des zweiten Teillaserstrahls 262 auf der Oberfläche 12 des Werkstücks 1 liegt. Für die Abstandsbestimmung der beiden Teillaserstrahlen ist lediglich der direkte Abstand L der Teillaserstrahlen 260, 262 relevant, wobei der Abstand L zwischen den Strahlachsen des ersten und zweiten Teillaserstrahls gemessen wird.
Figur 2B zeigt die Situation der Figur 2A in Draufsicht. Die beiden Teillaserstrahlen 260 und 262 werden beabstandet und nebeneinander entlang der Trennlinie 10 in das Werkstück 1 eingebracht. Aus der Vogelperspektive ist die Wölbung der Oberfläche 12 des Werkstücks 1 nicht zu sehen, so
dass sich für die Bestimmung des Abstands L der beiden Teillaserstrahlen 260, 262 die direkte geometrische Verbindung der beiden Strahlachsen der Teillaserstrahlen 260 und 262 eignet.
In Figur 2C ist eine weitere Seitenansicht des Verfahrens gezeigt, insbesondere ist gezeigt, dass eine Vielzahl von Teillaserstrahlen 26 in das Werkstück 1 eingebracht werden können. Die Teillaserstrahlen 26 sind alle in die gleiche Fokusebene fokussiert. Dies bedeutet, dass alle Fokuszonen in einer Ebene liegen. Die Fokusebene ist hier gegeben durch die Oberfläche 12 des Werkstücks 1 .
In Figur 3 sind verschiedene Teilstrahlen gezeigt, sowie deren Intensität in der Fokuszone 24 in Abhängigkeit von der Anzahl der verwendeten Teillaserstrahlen 26. In der obersten Reihe wird der einfallenden Laserstrahl (nicht gezeigt) in drei Teillaserstrahlen 260, 261 , 262 aufgeteilt. Die Intensität in den Fokuszonen 24 dieser drei Teillaserstrahlen ist sehr hoch, was durch die dunkle Schraffierung gezeigt ist. Die drei Teillaserstrahlen können beispielsweise bei einer ersten Überfahrt entlang der Trennlinie 10, beispielsweise in positive x-Richtung, in das Werkstück eingebracht werden.
In der zweiten Reihe wird derselbe einfallenden Laserstrahl (nicht gezeigt) in vier Teillaserstrahlen aufgespaltet. Die vier Teillaserstrahlen weisen eine verringerte Intensität in der Fokuszone auf, was durch eine mittelhelle Schraffierung gezeigt ist. Insbesondere hat sich der einfallende Laserstrahl zur Erzeugung der Teillaserstrahlen nicht verändert, die Intensität wird lediglich durch die Anpassung der Anzahl an Teillaserstrahlen angepasst. Die vier Teillaserstrahlen können beispielsweise bei einer zweiten Überfahrt entlang der Trennlinie 10 in negative x-Richtung verwendet werden.
In der dritten Reihe sind fünf Teillaserstrahlen gezeigt, die alle abermals von demselben einfallenden Laserstrahl erzeugt werden. Die fünf Teillaserstrahlen haben eine deutlich geringere Intensität als die vier Teillaserstrahlen und ebenfalls eine deutlich geringere Intensität als die drei Teillaserstrahlen. Fünf Teillaserstrahlen kann man beispielsweise bei einer dritten Überfahrt entlang der Trennlinie 10 wiederum in positive x-Richtung in das Werkstück einbringen.
Somit ist es möglich lediglich mithilfe der Anpassung der Anzahl an Teillaserstrahlen die Intensität pro Teillaserstrahl anzupassen, ohne dass der einfallende Laserstrahl geändert werden müsste. Damit ist auch die von jedem Laserpuls in das Werkstück 1 eingetragene Intensität unabhängig von der Anzahl der Teillaserstrahlen.
Insbesondere ist es auch möglich bei einer ersten Überfahrt entlang der Trennlinie 10 eine hohe Anzahl an Teilstrahlen zu verwenden, und bei einerweiteren Überfahrt entlang der Trennlinie 10 die Anzahl an Teilstrahls reduzieren, sodass die Laserenergie pro Teillaserstrahl erhöht wird. In diesem Sinne würde die erste Überfahrt gemäß dem dritten Schritt durchgeführt und die letzte Überfahrt gemäß dem ersten Schritt.
Insbesondere erstrecken sich die Teillaserstrahlen mit zunehmender Anzahl an Teillaserstrahlen über eine immer größere Distanz D, sodass eine geringere Vorschubbewegung notwendig ist, um die komplette Trennlinie 10 zu überstreichen. Somit ist es auch möglich, die Prozessgeschwindigkeit zu erhöhen, sofern die eingebrachte Laserenergie für einen Materialabtrag ausreichend ist.
Um ein Trennen des Materials des Werkstücks 1 zu erreichen kann eine Anzahl von Überfahrten über die Trennlinie 10 notwendig sein, die im Bereich von 500 bis 2500 Einzelüberfahrten liegt. Dabei kann bei jeder Überfahrt eine Anpassung der Laserleistung pro Teillaserstrahl 26 durchgeführt werden, oder nach dem Überschreiten einer vorgegebenen Abtragtiefe AT im Material des Werkstücks 1 , oder nach einer vorgegebenen Anzahl von Einzelüberfahrten, beispielsweise findet nach 200 Überfahrten eine Anpassung der Laserleistung pro Teillaserstrahl 26 statt.
Die Figur 4A zeigt eine Mikrolinsenarray-Optik, also eine Strahlteileroptik 62, wie sie zur Strahlteilung eingesetzt wird. Ein Eingangslaserstrahl 2 eines Lasers 21 wird durch eine optionale Teleskopoptik 61 (gestrichelt dargestellt) geführt, um den Durchmesser des Laserstrahls 2 anzupassen und wird anschließend durch die Mikrolinsenarray-Optik geführt, um mehrere Teillaserstrahlen 26 zu erzeugen. Der Eingangslaserstrahl 2 ist hierbei zumindest bezüglich derx- Richtung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung (z-Richtung) kollimiert.
Der Eingangslaserstrahl 2 durchläuft vier Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4. Jedes Mikrolinsenarray MLA1-MLA4 verfügt über in x-Richtung aufgereihte Mikrolinsen 622 mit einer Apertur a. Die Apertur a gemessen entlang der x-Richtung ist für alle Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 gleich. Die Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 bzw. deren Mikrolinsen 622 können alle unterschiedliche Brennweiten f1-f4 aufweisen. Innerhalb eines jeweiligen Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 ist die Brennweite f1-f4 der Mikrolinsen 622 einheitlich.
In der Figur 4A sind die Mikrolinsen 622 alle konvexe Linsen. In einer in Figur 4B gezeigten alternativen Ausgestaltungsform Ausgestaltung sind jedoch die Mikrolinsen 622 des MLA1 konkave Linsen und die Mikrolinsen der MLA2-MLA4 sind konvexe Linsen. Hierdurch wird eine Aufweitung
des Laserstrahls 2 ermöglicht, so dass die Spitzenintensität des Laserstrahls 2 zwischen den Mikrolinsenarrays 622 abgeschwächt wird. Dadurch kann eine Zerstörung der folgenden optischen Elemente vermieden werden. Die Anzahl an konvexen Mikrolinsenarrays ist bei einem Aufbau mit vier Mikrolinsen jedoch auf zwei beschränkt.
Durch die Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 wird jeder Punkt einer jeweiligen Mikrolinse in der Ebene des ersten Mikrolinsenarrays MLA1 in einen Winkel abgebildet, also ein Winkelspektrum erzeugt. Dieses Winkelspektrum wird mit einer Fokussieroptik 6 in einer Brennebene, beispielsweise in oder auf ein Werkstück 1 abgebildet. Hierbei entstehen die Teillaserstrahlen 26 durch Interferenz- und Beugungseffekte im Strahlengang.
Die Mikrolinsenarray-Optik 62 verfügt über eine Verstellmechanik 63, mit der zumindest einige der gegenseitigen Abstände der Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 verstellt werden können.
Beispielsweise kann für jedes Mikrolinsenarray MLA1-MLA4 ein eigener, auf einer Führung 631 (etwa einer Zahnstange) motorisch verfahrbarer Schlitten 632 (etwa mit einem in die Zahnstange eingreifenden angetriebenen Zahnrad) vorgesehen sein, wobei die Schlitten über eine elektronische Steuervorrichtung 633 angesteuert werden können. In der Steuervorrichtung 633 sind mehrere Verstellpositionen für die Gesamtheit der Mikrolinsenarrays MLA-MLA4 abgespeichert, wobei eine jeweilige Verstellposition eine anzufahrende Sollposition bezüglich der z-Richtung für die verschiedenen Schlitten 632 umfasst.
Man beachte, dass die Positionen von einigen Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 gekoppelt und/oder ortsfest sein. Beispielsweise können das erste und dritte Mikrolinsenarray MLA1 und MLA3 miteinander verbunden sein. Beispielsweise können auch das zweite und vierte Mikrolinsenarray MLA2 und MLA4 miteinander verbunden sein. Durch einen Versatz der Mikrolinsenarraypaare zueinander kann dann die Anzahl an Teillaserstrahlen in der Brennebene eingestellt werden.
Generell kann die Verstellmechanik 63 mehrere Verstellpositionen anfahren, wobei über die Verstellpositionen die Anzahl der Teillaserstrahlen 26 angepasst werden kann.
Die erzeugten Teillasterstrahlen 26 werden von der Fokussieroptik 64 in oder auf das Werkstück 1 fokussiert. Beispielsweise werden in Figur 4 fünf Teillaserstrahlen 26 erzeugt, die in x-Richtung nebeneinander auf einer Linie, beispielsweise der Trennlinie 10, positioniert sind. Die Mikrolinsenarrays weisen in diesem Fall nur in x-Richtung gereihte Mikrolinsen auf, nicht jedoch in y-Richtung. In y-Richtung ist der Laserstrahl in der Brennebene fokussiert worden, etwa mit einer Zylinderlinse zwischen der Laserquelle und dem im Strahlpfad ersten Mikrolinsenarray.
Die verfahrbaren Schlitten 632 der Mikrolinsenarray-Optik können miteinander gekoppelt sein. Beispielsweise kann der fahrbare Schlitten des ersten Mikrolinsenarrays MLA1 mit dem Schlitten des dritten Mikrolinsenarrays MLA3 gekoppelt sein. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass der Abstand der Mikrolinsenarrays MLA1 und MLA3 immer gleich ist. Es kann aber auch sein, dass der verfahrbare Schlitten des ersten Mikrolinsenarrays MLA1 mit dem Schlitten des zweiten Mikrolinsenarrays MLA2 gekoppelt ist. Es kann auch sein, dass mehr als zwei Schlitten miteinander gekoppelt sind.
Insbesondere können die gekoppelten Mikrolinsenarrays gegenüber den ungekoppelten Mikrolinsenarrays verschoben werden. Beispielsweise können die Mikrolinsenarrays MLA1 und MLA2 gegen die Mikrolinsenarrays MLA3 und MLA4 verschoben werden. Dies bedeutet, dass der Abstand der Mikrolinsenarrays MLA1 und MLA2 bzw. der Mikrolinsenarrays MLA3 und MLA4 immer gleichbleibt, jedoch der Abstand zwischen den Mikrolinsenarrays MLA2 und MLA3 variiert. Durch das Verschieben der Mikrolinsenarraypaare kommt es zu einer Veränderung des Interferenzmusters der verschiedenen Strahlen in der Strahlteileroptik, sodass die Anzahl der Teillaserstrahlen 26, die in das Werkstück eingebracht werden, angepasst werden kann. Die Intensität in den einzelnen Fokuszonen der Teillaserstrahlen 26 verhält sich dabei umgekehrt proportional zur Anzahl der Teillaserstrahlen.
Die Anzahl an Teillaserstrahlen kann schließlich mit einem Scannersystem oder einem Achssystem über das Werkstück geführt werden, sodass die Teillaserstrahlen 26 das Werkstück entlang einer Trennlinie 10 überstreichen und das Werkstück 1 entlang der Trennlinie 10 durch Einbringen der Laserpulse schneiden. Je nach Abtragtiefe und Prozessfortschritt kann dementsprechend die Anzahl an Teillaserstrahlen 26 angepasst werden, um die Effizienz des Abtragsprozesses zu steigern.
In Figur 5A ist ein weiterer zeitlicher Verlauf einer möglichen Bewegung und Auslenkung der Teillaserstrahlen 260, 262, 264 gezeigt. Diese Teillaserstrahlen werden beispielsweise beim Durchgang des Laserstrahls 2 durch eine Strahlteileroptik gemäß Figur 4 erzeugt und mithilfe einer Fokussieroptik auf oder in das Werkstück loder die Oberfläche 12 des Werkstücks 1 fokussiert. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Teillaserstrahlen gleichmäßig zueinander beanstandet, d.h. der Abstand L zwischen zwei benachbarten Teillaserstrahlen 26 ist zu jeder Zeit gleich groß.
Des Weiteren erstreckt sich die x-Achse des Diagramms entlang der Trennlinie 10, wohingegen die y-Achse die Zeitachse darstellt. Der erste Teillaserstrahl 260 wird in das Werkstück 1 fokussiert, sodass die Laserpulse beispielsweise eines Ultrakurzpulslasers in der Fokuszone 24 des ersten
Teillaserstrahls 260 einen Materialabtrag herbeiführen. Dies kann beispielsweise durch einen Mechanismus geschehen, der als Laserablation oder Laserbohren oder Laserschneiden bekannt ist. Durch jeden Puls oder jeden Pulszug des gepulsten Lasers wird ein bestimmter Materialabtrag erreicht. Dieser Materialabtrag muss jedoch gleichmäßig entlang der Trennlinie 10 geschehen, um beispielsweise Materialspannungen zu vermeiden.
Die folgende Beschreibung wird explizit für den ersten Teillaserstrahl 260 vorgenommen, sie gilt für die anderen Teillaserstrahlen jedoch analog. Der erste Teillaserstrahl 260 mit von seiner Ursprungsposition X01 zunächst entlang der Trennlinie 10 ausgelenkt, und zwar um den Auslenkungsbetrag 300. Während der Teillaserstrahl 260 ausgelenkt wird, werden vom gepulsten Laser beispielsweise kontinuierlich Pulse abgegeben. Dadurch werden auf der Strecke zwischen dem Ursprungspunkt X01 und dem Punkt, wo der Auslenkungsbetrag 300 erreicht ist, insgesamt drei Laserpulse abgegeben. Danach wird der erste Teillaserstrahle 260 wieder zurück in seine Ursprungsposition X01 bewegt, sodass beim Erreichen der Ursprungsposition X01 insgesamt fünf Laserpulse abgegeben wurden. Anschließend wird der Teillaserstrahl 262 entgegen der Trennlinie 10 bewegt, bis ein Auslenkungsbetrag 302 erreicht ist. Der Auslenkungsbetrag 302 unterscheidet sich in der Figur vom Auslenkungsbetrag 300, sodass die Bewegung insbesondere asymmetrisch ist. Jedoch findet die Auslenkung stets entlang der Trennlinie 10 statt. Bis zu dem Umkehrpunkt wo der Auslenkungsbetrag 302 erreicht ist, wurden insgesamt neun Laserpulse abgegeben.
Anschließend wird der Teillaserstrahl 260 wieder entlang der Trennlinie 10 in die Ursprungsposition X01 gebracht, wobei weitere vier Laserpulse in das Werkstück eingebracht werden.
Die Bewegung im ersten Teil der Bewegung, bei dem die Laserpulse rechts vom Ursprungsort eingebracht wurden, wurde mit einer ersten Geschwindigkeit vorgenommen. Die Bewegung im zweiten Teil der Bewegung, bei dem die Laserpulse links vom Ursprungsort eingebracht wurden, wurde mit einer zweiten Geschwindigkeit vorgenommen. Insbesondere können diese Bewegungen auch mit einem Geschwindigkeitsprofil angefahren werden, beispielsweise können Sägezahn förmige Kurven, oder Sinus-förmige Kurven, oder Kosinus-förmige Kurven, oder Dreieckskurven verwendet werden. Die Pulsrate des gepulsten Lasers kann hierbei angepasst werden, sodass von jedem Teillaserstrahl 26 auf der Trennlinie 10 die Pulse gleichmäßig in das Werkstück 1 eingebracht werden, wodurch ein gleichmäßiger Materialabtrag stattfindet. Insbesondere kann die Bewegungsgeschwindigkeit hierbei auch an den Auslenkungsbetrag angepasst werden, sodass pro Auslenkungsbetrag stets gleich viele Laserpulse in das Werkstück 1 eingebracht werden.
Der Teillaserstrahl 260 wird zusammen mit dem zweiten Teillaserstrahl 262 und im dritten Teillaserstrahl 264 in das Werkstück 1 eingebracht. Zur Startzeit TO befinden sich alle Teillaserstrahlen in ihren Ursprungspunkten X01 , X02 und X03. Danach werden alle Teillaserstrahlen und den Auslenkungsbetrag 300 entlang der Trennlinie 10 verschoben, anschließend in die Ursprungsposition zurückgeführt, anschließend entgegen der Trennlinie 10 um den Auslenkungsbetrag 302 verschoben und schließlich wieder in die Ursprungspositionen zurückgeführt. Der Abstand L der Teillaserstrahlen ist hierbei stets gleich. Die Auslenkungsbeträge 300, 302 entlang und entgegen der Trennlinie können hierbei so gewählt werden, dass deren Summe genau dem Abstand der Teillaserstrahlen entspricht. Dadurch ist sichergestellt das benachbarte Teillaserstrahlen denselben Punkt auf der Trennlinie 10 überstreichen. Beispielsweise übersteigt der zweite Teillaserstrahl 262 bei seiner maximalen Auslenkung um den Auslenkungsbetrag 302 entgegen der Trennlinie 10 denselben Punkt auf der Trennlinie 10, der erste Teillaserstrahl 260 bei seinem maximalen Auslenkungsbetrag 300 entlang der Trennlinie 10. Dasselbe gilt analog für die beiden Teillaserstrahlen 262 und 264. Da benachbarte Teillaserstrahlen denselben Punkt der Trennlinie 10 überstreichen ist somit ein gleichmäßiger Materialabtrag sichergestellt. Insbesondere wird hierdurch ein lückenloser Materialabtrag sichergestellt, sodass entlang der Trennlinie 10 kein Werkstück mit der Ursprungsdicke des Werkstücks 1 verbleibt.
In Figur 5B sind die eingebrachten Laserpulse der verschiedenen Teillaserstrahlen 260, 262, 264 aus der Vogelperspektive auf dem Werkstück 1 gezeigt. Es ist deutlich zu sehen, dass entlang der Trennlinie 10 kein Punkt nicht von den Teillaserstrahlen überstrichen wurde, sodass ein gleichmäßiger Materialabtrag gewährleistet ist.
Benachbarte Teillaserstrahlen 260, 262, 264 können nicht in beliebig kleinem Abstand zueinander in das Werkstück 1 eingebracht werden, sofern die benachbarten Teillaserstrahlen dieselbe Polarisation aufweisen. Dies liegt an auftretenden Interferenzeffekten, durch die sich die benachbarten Teillaserstrahlen teilweise gegenseitig aufheben (destruktive Interferenz) bzw. verstärken (konstruktive Interferenz). Weisen hingegen benachbarte Teillaserstrahlen unterschiedliche, insbesondere orthogonale Polarisation zueinander auf, dann können die Teillaserstrahlen nicht miteinander interferieren. Aus diesem Grund kann der Laserstrahl 2 verschiedene Polarisationskomponenten aufgespaltet werden und aus diesen Polarisationskomponenten können wiederum die Teillaserstrahlen geformt werden, die in das Werkstück 1 eingebracht werden.
In den Figuren 6 A, B sind doppelbrechenden Polarisartorelemente 4 gezeigt, mit denen es möglich ist, einen Laserstrahl 2 in verschiedene Polarisationskomponenten zu zerlegen. Die Figuren 6 A, B zeigen schematisch jeweils ein doppelbrechendes Polarisatorelement 4 in Form eines doppelbrechenden Kristalls. Als Kristall- Werkstück für das Polarisatorelement 4 können unterschiedliche doppelbrechende Materialien verwendet werden, z.B. alpha-BBQ (alpha- Bariumborat), YVO4 (Yttrium-Vanadat), kristalliner Quarz, etc.
Das doppelbrechenden Polarisatorelement 4 von Fig. 6A ist keilförmig ausgebildet, d.h. eine plane Strahleintrittsfläche 40 zum Eintritt eines Eingangslaserstrahls 2 und eine plane Strahlaustrittsfläche 42 des Polarisatorelements 4 sind unter einem (Keil-)Winkel zueinander ausgerichtet. Die bzw. eine optische Achse 44 des Kristall-Werkstücks ist parallel zur Strahleintrittsfläche 40 ausgerichtet. Das keilförmige doppelbrechende Polarisatorelement ist hierbei die bevorzugte Ausführungsform.
Der in das doppelbrechende Polarisatorelement 4 senkrecht zur Strahleintrittsfläche 40 eintretende unpolarisierte oder zirkular polarisierte Eingangslaserstrahl 2 wird an der unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche 40 geneigten Strahlaustrittsfläche 42 in zwei Teillaserstrahlen 26 aufgeteilt, die senkrecht zueinander (s- bzw. p-polarisiert) sind. In Fig. 5A ist wie allgemein üblich der s- polarisierte Teillaserstrahl 26 durch einen Punkt gekennzeichnet, während der zweite, p- polarisierte Teillaserstrahl 26 durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet ist. Der erste, p-polarisierte Teillaserstrahl 26 wird beim Austritt aus dem doppelbrechenden Polarisatorelement 4 weniger stark gebrochen als der zweite, s-polarisierte Teillaserstrahl 26, so dass ein Winkelversatz a zwischen dem ersten und dem zweiten Teillaserstrahl 26 auftritt. Der erste und zweite Teillaserstrahl 26 treten hierbei an derselben Stelle an der Strahlaustrittsfläche 42 aus dem doppelbrechenden Polarisatorelement 4 aus, d.h. es wird zwar der Winkelversatz a, aber kein Ortsversatz zwischen den beiden Teillaserstrahlen 26 erzeugt.
Bei dem in Fig. 6 B gezeigten Polarisatorelement 4 sind die Strahleintrittsfläche 40 und die Strahlaustrittsfläche 42 parallel zueinander ausgerichtet und die optische Achse 44 des Kristall- Werkstücks ist unter einem Winkel von 45° zur Strahleintrittsfläche 40 ausgerichtet. Der senkrecht zur Strahleintrittsfläche 40 auftreffende Eingangsstrahl 2 wird in diesem Fall an der Strahleintrittsfläche 2a in einen ersten, ordentlichen Teillaserstrahl 260 und einen zweiten, außerordentlichen Teillaserstrahl 26AO aufgeteilt. Die beiden Teillaserstrahlen 26 treten an der Strahlaustrittsfläche 42 parallel, d.h. ohne einen Winkelversatz, aber mit einem Ortsversatz Ax aus.
Die beiden in Figuren 6 A, B dargestellten doppelbrechenden Polarisatorelemente 4 unterscheiden sich somit grundlegend dadurch, dass das in Fig. 5A gezeigte Polarisatorelement 4 einen
Winkelversatz a (ohne Ortsversatz) und dass das in Fig. 5B gezeigte Polarisatorelement 4 einen Ortsversatz Ax (ohne Winkelversatz) erzeugt. Beide Polarisatorelemente 4 können eine Komponente einer Bearbeitungsoptik 6 bilden, die beispielsweise wie in Figur 7 dargestellt ausgebildet sein kann. Es versteht sich, dass die Bearbeitungsoptik 6 auch Polarisatorelemente aufweisen kann, die sowohl einen Ortsversatz Ax als auch einen Winkelversatz a erzeugen, wie dies bei herkömmlichen Prismen-Polarisatoren der Fall ist, die in der Regel zwei doppelbrechende optische Elemente aufweisen.
Figur 7 zeigen jeweils eine Bearbeitungsoptik 6, umfassend ein doppelbrechendes Polarisatorelement 4, zur Zerlegung des Laserstrahls 2 in senkrecht zueinander polarisierte Teillaserstrahlen, eine Strahlteileroptik 62 gemäß Figur 4, die zur Erzeugung einer Mehrzahl von Paaren von Teillaserstrahlen 26 unterschiedlicher Polarisation, sowie eine Fokussieroptik, die dazu ausgebildet ist die Teillaserstrahlen 26 in Fokuszonen 24 zu fokussieren, die entlang einer Trennlinie 10 in der Fokusebene verlaufen. Zudem sind vor der Bearbeitungsoptik 6 eine optionale A/2-Platte 70 und ein schaltbares Polarisationsfilterelement 72 angebracht.
Die in Figur 7 dargestellte Bearbeitungsoptik 6 weist eine Fokussieroptik 64 auf, die zur Fokussierung der beiden Teillaserstrahlen 26 auf eine Fokusebene dient, die in Figuren 6 an der Oberfläche 12 eines zu bearbeitenden Werkstück 1 liegt. Anders als in Figur 6 dargestellt ist, kann die Fokusebene über der Oberfläche 12 oder im Werkstück 1 liegen. Der Eingangslaserstrahl 2, beispielsweise eines gepulsten Lasers oder Ultrakurzpulslaser, trifft auf das doppelbrechende Polarisatorelement 4, wo zwei Teillaserstrahlen 26 erzeugt werden.
Bei der in Figur 7 gezeigten Bearbeitungsoptik 6 ist die Strahlteileroptik 62 im Strahlengang nach dem Polarisatorelement 4 angeordnet. Die Strahlteileroptik 62 kann alternativ jedoch auch vor dem Polarisatorelement 4 angeordnet sein.
Die in Figur 7 dargestellte Bearbeitungsoptik 6 kann mindestens teilweise relativ zum Werkstück 1 bewegt werden, so dass eine Bewegung der Teillaserstrahlen 26 entlang der Trennlinie 10 ermöglicht wird. Insbesondere kann mit der Strahlteileroptik auch die Anzahl an Teillaserstrahlen variiert werden, so dass bei mehrfachen Überfahrten der Trennlinie 10 eine Leistungsanpassung der Teillaserstrahlen möglich ist.
Bei der in Figur 7 dargestellten Bearbeitungsoptik 6 ist das doppelbrechende Polarisatorelement 4 in einer zur Fokusebene optisch konjugierten Ebene angeordnet. Die optisch konjugierte Ebene ist mit der Fokusebene durch eine Winkel-zu-Orts-Transformation (Fourier-Transformation) verknüpft,
die von der Fokussieroptik 7 erzeugt wird. Winkel in der optisch konjugierten Ebene entsprechen Orten in der Fokusebene und umgekehrt. Die beiden mit dem Winkelversatz a aus dem Polarisatorelement 4 austretenden Teillaserstrahlen 26 werden daher mit einem Ortsversatz Ax der beiden Zentren der Fokuszone 24 in der Fokusebene fokussiert. Der Ortsversatz ist dabei kleiner als der Durchmesser der Fokuszonen 24, so dass die beiden Fokuszonen 24 einander überlappen. Aufgrund des nicht vorhandenen Ortsversatzes der beiden aus dem Polarisatorelement 4 austretenden Teillaserstrahlen 26 sind die beiden Teillaserstrahlen 26 nach dem Durchlaufen der Fokussieroptik 74 parallel und senkrecht zur Fokusebene 8 ausgerichtet.
Die Fokuszonen 24 eines Paares von benachbarten Teillaserstrahlen unterschiedlicher Polarisation werden von jeweils senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen 26 gebildet, die sich teilweise überlappen. Zusätzlich überlappen sich auch die Fokuszonen 24 von jeweils zwei senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen 26 von jeweils zwei unmittelbar benachbarten Paaren. Bei allen in Figur 7 dargestellten Fokuszonen 24 überlappen sich nur senkrecht zueinander polarisierte Teillaserstrahlen 26, so dass keine Interferenzeffekte zwischen den Teillaserstrahlen 26 gleicher Polarisation auftreten. Die auf diese Weise in der Fokusebene erzeugte, im Wesentlichen linienförmige Intensitätsverteilung, erstreckt sich entlang der Trennlinie 10.
Sollte in der Anordnung von Teillaserstrahlen in dem Werkstück nur eine Polarisationsrichtung gewünscht sein, kann dies beispielsweise durch eine Variation der A/2-Platte 70 und des Polarisationsfilters 72 erreicht werden. Beispielsweise kann die A/2-Platte 70 dafür verwendet werden, eine Polarisationsrichtung des einfallenden Laserstrahls 2 auf das Polarisatorelement 4 festzulegen. Beispielsweise kann so auf das Polarisatorelemente 4 ein p- oder ein s-polarisierter Strahl treffen, sodass keine Aufspaltung in mehrere Polarisationen hinter dem Polarisatorelemente 4 erfolgt. Es kann aber auch sein das der einfallende Laserstrahl durch die A/2-Platte 70 so gedreht wird, dass beide Polarisationskomponenten nach dem Polarisatorelement 4 gleich stark sind.
Um eventuelle ungewünschte Polarisationsrichtungen hinter der Bearbeitungsoptik 6 herauszufiltern, kann hinter der Bearbeitungsoptik 6 ein Polarisator 72 eingebracht werden. Der Polarisator kann beispielsweise schaltbar sein. Beispielsweise kann das bedeuten, dass der Polarisation eine erste Polarisationsrichtung aus der Anordnung an Teillaserstrahlen 26 herausfiltert eine zweite Polarisation jedoch hindurch lässt. Es kann aber auch genau umgekehrt sein. Es kann insbesondere sein, dass der Polarisator 72 aus dem Strahlengang entfernt werden kann, sodass beide Polarisationskomponenten ungehindert zu Werkstück geleitet werden können. Es kann aber
auch sein, dass schaltbar bedeutet, dass der Polarisator lediglich keinen Einfluss auf die
Teilstrahlen 26 hat.
Analog zur Figur 7 kann das alternierend polarisierte Intensitätsprofil auch mit einem doppelbrechenden Polarisationselement 4 nach Figur 6B erzeugt werden, bei dem die Teillaserstrahlen das doppelbrechenden Polarisationselement 4 mit einem Ortsversatz verlassen. Da in der konjugierten Ebene jedoch ein Winkelversatz notwendig ist, um die Teillaserstrahlen 26 parallel zueinander auf das Werkstück 1 zu fokussieren, ist mindestens eine weitere Linsenanordnung nötig, um die ein Strahlwinkel der Teillaserstrahlen 26 auf das Werkstück 1 zu korrigieren (nicht gezeigt).
In Figur 8 ist schematisch das Verfahren vorgestellt, wobei benachbarte Teillaserstrahlen unterschiedliche, insbesondere orthogonale Polarisationsrichtungen aufweisen. Der Laserstrahl 2 des gepulsten Lasers wird mithilfe einer Bearbeitungsoptik, wie beispielsweise in Figur 6 gezeigt, in eine Vielzahl von Teillaserstrahlen 26 aufgespaltet, wobei die benachbarten Teillaserstrahlen eine orthogonale Polarisation zueinander aufweisen und wobei der Abstand der benachbarten Teillaserstrahlen beispielsweise kleiner sein kann als der Durchmesser der Fokuszonen 24. Dies bedingt, dass benachbarte Fokuszonen 24 für Teillaserstrahlen 26 mit unterschiedlicher Polarisation überlappen. Wegen der unterschiedlichen Polarisation kommt es jedoch nicht zu störenden Interferenzeffekten. Es kann aber auch sein das die verschiedenen Teillaserstrahlen 26 einen deutlich größeren Abstand als den Durchmesser der Fokuszonen 24 aufweisen. Prinzipiell ist es möglich, über das Polarisatorelement den Abstand L der Teillaserstrahlen unterschiedlicher Polarisation einzustellen. Mithilfe der Strahlteileroptik 62 ist es hingegen möglich die Anzahl an Teillaserstrahlen sowie den Abstand der Teillaserstrahlen 26 gleicher Polarisation einzustellen.
Das Verwenden von Teillaserstrahlen 26 mit unterschiedlicher Polarisation ist insofern vorteilhaft, weil sich die unterschiedliche Polarisationsrichtung relativ zur Trennlinie 10 auf die Abtragtiefe pro Puls sowie auf die Qualität der Abtragskante auswirkt. Beispielsweise ist eine Polarisation parallel zur Vorschubrichtung dazu geeignet besonders glatte Kanten entlang der Trennlinie zu erzeugen. Eine Polarisation senkrecht zur Vorschubrichtung kann hingegen einen besonders effizienten Materialabtrag pro Laserpuls zu ermöglichen. Durch das Auffüllen der Positionen zwischen zwei gleich polarisierten Teillaserstrahlen mit Teillaserstrahlen anderer Polarisation, können so Effizienz- und Qualitätssteigerungen der unterschiedlichen Polarisationen durch unterschiedliche Bearbeitungsstrategien erreicht werden.
In Figur 9 sind verschiedene Bearbeitungsstrategien und Variationen des Verfahrens gezeigt. In Figur 9A werden in einem ersten Schritt eine Vielzahl von Teillaserstrahlen 26 in das Werkstück 1 entlang der Trennlinie 10 eingebracht. Die benachbarten Teillaserstrahlen 26 weisen unterschiedliche Polarisationen auf. Insbesondere werden die benachbarten Teillaserstrahlen 26 in einem geringen Abstand zueinander in das Werkstück 1 eingebracht. Die Teillaserstrahlen 26 werden entlang der Trennlinie 10 ausgelenkt bzw. periodisch ausgelenkt, so das benachbarte Teillaserstrahlen 26 denselben Ort auf der Trennlinie 10 überstreichen. Es kann aber auch sein das die Auslenkung kleiner ist als der Abstand benachbarter Teillaserstrahlen.
In dem der Abstand beispielsweise so klein ist, ist die Intensitätsverteilung der Teillaserstrahlen entlang der Trennlinie 10 sehr homogen, so dass ein homogener Materialabtrag entlang der Trennlinie 10 möglich ist. In einem zweiten Schritt können dann beispielsweise die Polarisationskomponenten parallel zur Trennlinie 10 ausgeschaltet werden, beispielsweise in dem eins der optischen Elemente in der Bearbeitungsoptik 6 variiert wird oder gefiltert wird, sodass lediglich Teillaserstrahlen 26 mit einer Polarisation parallel zur Trennlinie 10 in das Werkstück 1 eingebracht werden. Indem im zweiten Schritt nur Teillaserstrahlen mit einer Polarisation parallel zur Trennlinie 10 in das Werkstück 1 eingebracht werden, kann so die Abtragtiefe effizient vergrößert werden.
In Figur 9B wird eine Variation des Verfahrens gezeigt, in dem in einem ersten Schritt lediglich Teillaserstrahl 26 mit einer Polarisation orthogonal zur Ausrichtung der Trennlinie verwendet werden. In dem ersten Schritt wird durch die orthogonale Ausrichtung eine hohe Bruchfestigkeit an der Schnittkante erzeugt. In einem zweiten Schritt werden anschließend nur Teillaserstrahlen mit einer Polarisation parallel zur Trennlinie 10 verwendet, sodass mit hoher Effizient das Werkstück getrennt werden kann.
In Figur 9C ist eine weitere Variation des Verfahrens gezeigt, wobei in einem ersten Schritt analog zu Figur 9A Teillaserstrahlen in das Werkstück 1 eingebracht werden, wobei benachbarte Teillaserstrahlen orthogonal zueinander polarisiert sind. In einem zweiten Schritt kann dann mittels Teillaserstrahlen die parallel zur Trennlinie 10 polarisiert sind eine hohe Bruchfestigkeit der Trennkante erzeugt werden, wobei in einem dritten Schritt lediglich Teillaserstrahl verwendet werden, die senkrecht zur Trennlinie 10 polarisiert sind, um die Abtragtiefe schnell und effizient zu vergrößern. Insgesamt ist durch die verschiedenen Verfahren der Figur 9 A, B, C eine hohe Qualität der Schnittkante sichergestellt.
In Figur 10 ist die Ablationseffizienz des Verfahrens für verschiedene Pulslängen und verschiedene Fluenzen gezeigt. Bei allen gezeigten Pulslängen ist sichtbar, dass die Ablationseffizienz in Kubikmillimeter pro Kilojoule mit steigender Fluenz in Joule pro Quadratzentimeter ansteigt. Das bedeutet das mehr Material pro Kilojoule aus dem gesamten Werkstückverbund herausgelöst wird, je größer die Intensität des Teillaserstrahls ist. Dieser Wert stagniert jedoch ab einer Fluenz von ungefähr 1 ,5 J/cm2, sodass es nicht sinnvoll ist die Fluenz oder Intensität der Teillaserstrahlen weiter zu erhöhen. Um die Ablationseffizienz jedoch weiter zu erhöhen, kann es daher sinnvoll sein die zur Verfügung stehende Energie des Eingangslaserstrahls auf mehr Teilstrahlen aufzuspalten. Dann multipliziert sich die Ablationseffizienz mit der Anzahl an Teillaserstrahlen.
Insbesondere ist in Figur 10 gezeigt, dass kurze Pulsdauern eine deutlich höhere Ablationseffizienz aufweisen, weshalb vorzugsweise Pulsdauern von weniger als 1 ,2 ps Verwendung finden.
In Figur 11 werden die Daten der Figur 10 auf andere Art und Weise dargestellt. Hier ist die maximale Ablationseffizienz gegen die Pulslänge aufgetragen. Es ist abermals zu sehen das für geringer Pulslänge kleiner als 1 ,2 ps die maximale Ablationseffizienz sehr groß ist nämlich im Bereich von 2,5-3 mm3/kJ, während die Ablationseffizienz für länger werdende Pulslängen abfällt.
In Figur 12 wird die maximale Ablationseffizienz in Abhängigkeit der Repetitionsrate des gepulsten Lasers gezeigt. Hierfür wurde die Anzahl an Teillaserstrahlen und die Repetitionsrate gleichermaßen variiert. Beispielsweise erhält man eine geringe Ablationseffizienz mit einer Repetitionsrate von 1000 kHz, wenn nur ein Teillaserstrahl verwendet wird. Die Effizienz des Verfahrens steigt an, wenn zwei Teillaserstrahlen mit nur 500 kHz verwendet werden. Eine weitere Effizienzsteigerung ist möglich bei Verwendung von drei Teillaserstrahlen mit je nur 330 kHz. Die Effizienz wird abermals gesteigert, wenn vier Teillaserstrahlen mit einer Repetitionsrate von 250 kHz in das Werkstück eingebracht werden. Die Effizienz wird abermals gesteigert, wenn acht Teillaserstrahlen mit einer Repetitionsrate von 125 kHz in das Werkstück eingebracht werden. Insbesondere ist das Verfahren bei kurzen Pulslängen von weniger als 1 ps mit acht Teillaserstrahlen viermal so effizient wie mit nur einem Teillaserstrahl, obwohl dieselbe Gesamtenergie in dem Werkstück deponiert wurde.
In Figur 13 sind mehrere Proben gezeigt, die mit verschiedenen Pulslängen und verschiedene Vorschubgeschwindigkeiten bearbeitet wurden. Es ist deutlich zu sehen, dass für kürzere Pulslängen ein deutlich stärkerer Materialabtrag stattfindet. Es ist ebenfalls zu sehen, dass bei geringen Vorschubgeschwindigkeiten die Teillaserstrahlen bzw. eine zusammenhängende
Abtraggeometrie erzeugen, während bei schnellen Vorschubgeschwindigkeiten nur einzelne „Bohrlöcher“ zu sehen sind.
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.
1 Werkstück
10 Trennlinie
12 Oberfläche
2 Laserstrahl
20 Laserpuls
21 Laser
24 Fokuszone
26 Teillaserstrahl
260 erster Teillaserstrahl
262 zweiter Teillaserstrahl
264 dritter Teillaserstrahl
280 erste Polarisation
282 zweite Polarisation
3 Verschiebung
30 Auslenkung
300 Auslenkung entlang der Trennlinie
302 Auslenkung entgegen der Trennlinie
4 doppelbrechendes Polarisatorelement
40 Strahleintrittsfläche
42 Strahlaustrittsfläche
44 optische Achse
6 Bearbeitungsoptik
61 Teleskop
62 Strahlteileroptik
622 Mikrolinse
63 Verstellmechanik
64 Fokussieroptik
70 Verzögerungsplatte
72 schaltbarer Polarisationsfilter
L Abstand
MLA Mikrolinsenarray
D Spannweite zwischen den Teillaserstrahlen
Claims
1. Verfahren zum Trennen eines Werkstücks (1) entlang einer Trennlinie (10) mittels Laserpulsen (20) eines Laserstrahls (2), wobei der Laserstrahl (2) mit einer Strahlteileroptik (62) in mehrere Teillaserstrahlen (26) aufgespaltet wird und die Teillaserstrahlen (26) so mit einer Fokussieroptik (64) auf die Oberfläche (12) und/oder in das Volumen des Werkstücks (1) fokussiert werden, dass die Teillaserstrahlen (26) nebeneinander und voneinander beabstandet entlang der Trennlinie (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Einbringen der Laserpulse (20) der Teillaserstrahlen (26) in das Werkstück entlang der Trennlinie (10) ein Materialabtrag stattfindet, und die Laserleistung pro Teillaserstrahl (26) in Abhängigkeit von der im Werkstück (1) erreichten Abtragtiefe (AT) angepasst wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistung pro Teillaserstrahl (26) angepasst wird, indem bei gegebener Eingangsleistung des Lasers (2) die Anzahl an Teillaserstrahlen (26) angepasst wird, wobei bevorzugt die Anzahl an Teillaserstrahlen (26) mit steigender Abtragtiefe (AT) reduziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistung pro Teillaserstrahl (26) mit steigender Abtragtiefe (AT) erhöht wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteileroptik (62) aus mehreren Mikrolinsenarrays (MLA) besteht, insbesondere aus vier Mikrolinsenarrays (MLA) besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteileroptik (62) aus mindestens zwei Mikrolinsenarraypaaren besteht, die aus je zwei Mikrolinsenarrays (MLA) bestehen, wobei die Mikrolinsenarrays (MLA) eines Mikrolinsenarraypaars einen fixen Abstand zueinander aufweisen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistung der Teillaserstrahlen (26) und/oder die Anzahl an Teillaserstrahlen (26) angepasst wird, indem die beiden Mikrolinsenarraypaare relativ zueinander verschoben werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mirkolinsenarray oder ein Mikrolinsenarraypaar konvexe Mikrolinsen umfasst
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teillaserstrahlen (26) in die gleiche Fokusebene fokussiert werden.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teillaserstrahlen (26) entlang der Trennlinie (10) von ihrer Ursprungsposition (X0) um einen Auslenkungsbetrag (300, 302) wegbewegt werden, wobei bevorzugt die Bewegung mit der Repetitionsrate des Lasers korreliert ist, um einen gleichmäßigen Materialabtrag zu gewährleisten.
10 Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teillaserstrahlen (26) entlang der Trennlinie (10) von ihrer Ursprungsposition (X0) um einen Auslenkungsbetrag (300, 302) wegbewegt werden, der Auslenkungsbetrag kleiner gleich dem Abstand (L) zweier benachbarter Teillaserstrahlen (26) ist, bevorzugt gleich dem Abstand (L) der Teillaserstrahlen ist, und anschließend entlang der Trennlinie (10) in die Ursprungsposition (X0) zurückbewegt werden, wobei die Bewegung insbesondere eine periodische Bewegung sein kann
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennlinie (10) gerade ist und die Bewegung der Teillaserstrahlen (26) eine lineare Auslenkung ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Bewegung durch eine periodische Bewegung der Fokussieroptik (64) erzeugt wird.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gepulste Laser (2) ein Ultrakurzpulslaser ist.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teillaserstrahlen (26) und das Werkstück (1) relativ zueinander verschoben werden können,
insbesondere mit einem Vorschub entlang einer Vorschubrichtung verschoben werden können. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangslaserstrahl (2) und/oder die Teillaserstrahlen (26) beim Durchlauf durch ein doppelbrechendes Polarisatorelement (4) in zwei zueinander orthogonale Polarisationskomponenten zerlegt wird und/oder werden. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vom doppelbrechenden Polarisationselement (4) nach Polarisationskomponenten zerlegten, auslaufenden Teillaserstrahlen (26) einen Winkelversatz (a) und/oder Ortsversatz (Ax) zueinander aufweisen. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierten Teillaserstrahlen (26) entlang der Trennlinie (10) eine alternierende Polarisation aufweisen oder die Polarisation jedes Teillaserstrahls (26) entlang der Trennlinie (10) oder orthogonal zur Trennlinie (10) ausgerichtet ist. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Trennprozess in verschiedene Teiltrennprozesse aufgeteilt wird, wobei jeder Teilprozess entweder mit p- oder s-polarisierten Teillaserstrahlen (26) durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) ein Wafer, insbesondere ein Silizium-Wafer ist.
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