DE102020123785A1

DE102020123785A1 - Verfahren zum Bearbeiten eines Materials

Info

Publication number: DE102020123785A1
Application number: DE102020123785.5A
Authority: DE
Inventors: Jonas Kleiner; Daniel Flamm; Henning Rave
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2022-03-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines zu bearbeitenden Materials (300) mittels eines Laserstrahls (200), insbesondere zum Schneiden von Silizium-Wafern, wobei der Laserstrahl (200) auf einen Lichtmodulator (110) zur Phasen- und/oder Amplitudenmodulation gelenkt wird, um dem Laserstrahl (200) eine Intensitätsverteilung aufzuprägen, welche einer kontinuierlichen Bearbeitungskontur (400) entspricht, und der Laserstrahl (200) zur Bearbeitung des Materials (300) mit der aufgeprägten Bearbeitungskontur (400) auf das Material (300) abgebildet wird und der Laserstrahl (200) zur Bearbeitung relativ zu dem zu bearbeitenden Material (300) stationär gehalten wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines zu bearbeitenden Materials mittels eines Laserstrahls, insbesondere zum Schneiden von Konturen wie beispielsweise Mikrochips aus Silizium-Wafern.
Stand der Technik
Es ist bekannt, zum Bearbeiten eines Materials, insbesondere zum Ausschneiden von Mikrochips aus Silizium-Wafern, Multispotoptiken einzusetzen, wobei ein einfallender Laserstrahl in mehrere zueinander versetzte Teillaserstrahlen aufgespaltet wird und die verschiedenen Teillaserstrahlen dann parallel zueinander entlang einer vorgegebenen Trennlinie über den Wafer geführt werden, um diesen dann entlang der Trennlinie zu trennen.
Um die Teillaserstrahlen über den Wafer zu führen, werden Achs- und Scannersysteme verwendet, die entweder die Teillaserstrahlen oder das Material oder beides bewegen. Der Einsatz von solchen Systemen bedingt aufwändige Mess- und Positioniervorgänge, da die Teillaserstrahlen über die gesamte Breite der Bearbeitungsregion die vorgegebene Trennlinie überstreichen müssen und von dieser nicht abweichen dürfen. Insbesondere kann es am Rande des Wafers zu Beschädigungen der Halterfolie und der Werkstückaufnahme kommen, wenn einzelne Teillaserstrahlen über den Rand des Materials hinausfahren müssen.
Aus EP2186596A1 sind Systeme bekannte, die mit einem Lichtmodulator Aberrationen und Wellenfronten eines Laserstrahls kompensieren. Jedoch steht hierbei das punktweise Abbilden des Laserstrahls auf ein zu schneidendes Material im Vordergrund.
Aus DE 112013002095T5 sind Strahlformungsvorrichtungen bekannt, die näherungsweise eine gewünschte Intensitäts- und Phasenverteilung eines Laserstrahls ermöglichen, jedoch werden diese Strahlformungseinheiten nicht zum Bearbeiten eines Materials eingesetzt.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Bearbeiten eines zu bearbeitenden Materials bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bearbeiten eines zu bearbeitenden Materials, insbesondere zum Ausschneiden eines Chips aus einem Silizium-Wafer, mittels 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 Bearbeiten eines zu bearbeitenden Materials mittels eines Laserstrahls, insbesondere zum Schneiden von Silizium-Wafern, vorgeschlagen, wobei der Laserstrahl auf einen Lichtmodulator zur Phasen- und/oder Amplitudenmodulation gelenkt wird, um dem Laserstrahl eine Intensitätsverteilung aufzuprägen, welche einer kontinuierlichen Bearbeitungskontur entspricht, und der Laserstrahl zur Bearbeitung des Materials mit der aufgeprägten Bearbeitungskontur auf das Material abgebildet wird und der Laserstrahl zur Bearbeitung relativ zu dem zu bearbeitenden Material stationär gehalten wird.
Das Material kann beispielsweise ein metallisches Werkstück oder eine Invar-Folie sein, aber auch andere Werkstücke, die mittels eines Laserstrahls bearbeitet werden können, wie beispielsweise Glas, Dünnstglas, Polymere, Polymerfolien, Keramiken oder Silizium. Ein Silizium-Wafer kann insbesondere jeder Wafer sein, der auf Silizium basiert, wie beispielsweise Si, SiO2 und SOI („silicon on insulator“) sowie dotierte Varianten hiervon.
Der Laserstrahl wird durch eine Laserstrahlquelle bevorzugt so erzeugt, dass er eine Gauß-Grundmode mit wohldefinierter linearer Polarisation aufweist. Eine Gauß-förmige Intensitätsverteilung beziehungsweise eine Gauß-Grundmode ist insbesondere eine Intensitätsverteilung deren laterales Querschnittsprofil durch den Strahlmittelpunkt immer einer Gaußschen Glockenkurve entspricht, also insbesondere radialsymmetrisch ist. Insbesondere kann der Laserstrahl auch gepulst sein.
Unter einem Lichtmodulator wird eine Vorrichtung verstanden, die dazu eingerichtet ist, Licht, insbesondere einen einfallenden Laserstrahl, in zwei Raumdimensionen in einer oder mehreren Eigenschaften zu beeinflussen. Dabei kann der Lichtmodulator insbesondere dazu eingerichtet sein, eine laterale Phasenverteilung, eine Polarisationsverteilung, eine Intensitäts- oder Amplitudenverteilung und/oder eine Propagationsrichtung des Lichts, insbesondere des Laserstrahls, zu beeinflussen. Es kann sich ebenso eine Beeinflussung der Propagationsrichtung bevorzugt indirekt aus der Beeinflussung insbesondere der Phasenverteilung ergeben.
Ein Lichtmodulator kann beispielsweise ein Nanogitter oder ein Hybridelement oder ein diffraktives optisches Elemente sein, welche durch deren inhärente Struktur oder Ausgestaltung dem Laserstrahl eine definierte Phasenverteilung aufprägen können. Beispielsweise kann ein Lichtmodulator aber auch ein räumlicher Lichtmodulator sein, dessen Zellen beziehungsweise Pixel den Laserstrahl durch einstellbare doppelbrechende Eigenschaften beeinflussen. Ein Lichtmodulator kann aber auch lediglich eine leistungstaugliche Blende, beispielsweise Lochblende, sein, welche die Amplitudenverteilung des Laserstrahls beeinflusst.
Unter einer lateralen Verteilung versteht man eine Verteilung einer Eigenschaft des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls, vorzugsweise in der Bearbeitungsebene des Materials. Beispielsweise ist eine laterale Intensitätsverteilung eine Verteilung der Intensität in einer Ebene senkrecht zum Laserstrahl, so dass die Intensität des Laserstrahls über den Strahlquerschnitt vom Ort relativ zum Strahlmittelpunkt abhängt. Beispielsweise kann die laterale Verteilung eine Gaußsche Verteilung sein, so dass die Intensität des Laserstrahls vom Abstand zum Strahlmittelpunkt abhängt. Die Intensitätsverteilung kann auch als Flat-Top Intensitätsverteilung bereitgestellt werden, bei der innerhalb eines bestimmbaren Abstandes zum Strahlmittelpunkt die Intensität im Wesentlichen konstant ist und außerhalb des bestimmbaren Abstandes die Intensität vorzugsweise auf null abfällt. Eine laterale Intensitätsverteilung beinhaltet auch, dass die Intensitätsverteilung eines Laserstrahls nur in einem bestimmten Abstand eine Intensität aufweist, die zur Bearbeitung ausreichend ist. Beispielsweise sind kreisförmige Intensitätsverteilungen möglich. Allgemeiner können auch rechteckige oder quadratische Strahlformen möglich sein, wobei dann die Intensität nur an den Orten der jeweiligen Seiten einen für die Bearbeitung ausreichenden Wert aufweist.
Analog können auch laterale Phasenverteilungen möglich sein, wobei die Phase des Laserstrahls vom Ort relativ zum Strahlmittelpunkt abhängt. Beispielsweise kann man darunter auch eine sogenannte Wellenfront verstehen. Beispielsweise kann das optische beziehungsweise elektromagnetische Feld einer Seite des Laserstrahls asynchron oder außer Phase zur anderen Seite des Laserstrahls schwingen. Es sind aber auch beliebige andere vorstellbare Phasenverteilungen möglich.
Analog können auch laterale Polarisationsverteilungen möglich sein, wobei die Polarisation des Laserstrahls vom Ort relativ zum Strahlmittelpunkt abhängt. Beispielsweise kann eine erste Strahlhälfte s-polarisiert sein und eine zweite Strahlhälfte p-polarisiert sein.
Lichtmodulatoren können die Eigenschaft aufweisen, dass sie die Phasen- und/oder Amplituden- und/oder Polarisationsverteilung des Laserstrahls beeinflussen. In einem ersten Schritt des Verfahrens wird jedoch nur isoliert die Amplituden- und/oder Phasenverteilung des Laserstrahls beeinflusst. Dies kann insbesondere durch eine initiale Polarisationsrichtung erreicht werden, so dass der Lichtmodulator dem Laserstrahl keine weitere Polarisationsverteilung aufprägt.
Insbesondere kann der Laserstrahl so auf den Lichtmodulator gelenkt werden, dass er nach einer ersten Modulation anschließend eine zweite Modulation erfährt, um dem Laserstrahl so insgesamt eine Intensitätsverteilung aufzuprägen, welche der kontinuierlichen Bearbeitungskontur entspricht, mit der dann die eigentliche Materialbearbeitung vorgenommen wird. Ebenso kann der Laserstrahl so auf den Lichtmodulator gelenkt werden, dass er nach der zweiten Modulation eine dritte Modulation, eine vierte Modulation usw. erfährt.
Die Bearbeitungskontur ist die Form des Laserstrahls, die der Geometrie des zu bearbeitenden Bereichs des zu bearbeitenden Materials in der Bearbeitungsebene des zu bearbeitenden Materials entspricht. Mit anderen Worten hat die Bearbeitungskontur die Form der zu bearbeitenden Geometrie, kann aber beispielsweise noch eine andere Dimensionierung aufweisen, so dass die Bearbeitungskontur erst durch die Abbildung auf die Bearbeitungsebene beispielsweise durch eine Bearbeitungsoptik auch die schlussendlich in dem zu bearbeitenden Material zu bearbeitenden Dimensionen erhält.
Die Bearbeitungskontur kann flächig ausgebildet sein, um einen entsprechend flächigen Bereich in dem zu bearbeitenden Material zu bearbeiten - beispielsweise zum Abtragen des korrespondierenden flächigen Bereichs des Materials. Die Bearbeitungskontur kann aber auch lediglich der Umrandung einer beliebigen Fläche folgen, oder eine beliebig geformte Linie sein. Die geschlossene Umrandung einer Fläche in der Bearbeitungsebene kann beispielsweise zum Ausschneiden des umrandeten Bereichs aus dem Material dienen - beispielsweise zum Ausschneiden von einzelnen Mikrochips aus einem Silizium-Wafer.
Die Bearbeitungskontur wird insbesondere durch den Teil des Laserstrahls gebildet, dessen Intensität groß genug ist, um das Material zu bearbeiten.
Die Bearbeitungskontur entspricht bei einer Anwendung zum Schneiden oder Trennen des zu bearbeitenden Materials auch der gewünschten (kontinuierlichen) Trennlinie beziehungsweise einem Bereich dieser.
Die Bearbeitungskontur ist kontinuierlich. Das kann bedeuten, dass die Bearbeitungskontur nicht aus Einzelspots eines Lasers zusammengesetzt ist.
Beispielsweise kann die Bearbeitungskontur durch ein zusammenhängendes Lichtfeld gegeben sein, welches in mindestens einer Dimension deutlich größer, beispielsweise 10mal größer, als ein Einzelspot ist. Beispielsweise kann der minimale Durchmesser eines Einzelspots eines Lasers mit einer Wellenlänge von 1µm durch eine Fokussierung ebenfalls 1µm betragen. Dementsprechend ist eine Bearbeitungskontur kontinuierlich, wenn über eine Distanz von 10µm ein zusammenhängendes Lichtfeld erzeugt wird.
Somit ist es möglich, eine durchgängige Bearbeitungskante, beispielsweise Trennkante, zu erzeugen. Weiterhin ist es möglich, auf diese Weise eine gleichzeitige Bearbeitung der gesamten Bearbeitungskontur zu erreichen, ohne dass eine Relativbewegung zwischen dem zu bearbeitenden Material und dem Laserstrahl aufgebracht werden muss. Mit anderen Worten kann beispielsweise ein Mikrochip gleichzeitig komplett mit einer Positionierung der Bearbeitungskontur ausgeschnitten werden.
Eine Bearbeitungskontur kann insbesondere aus verschiedenen kontinuierlichen Bearbeitungskonturen zusammengesetzt sein. Insbesondere ist die zusammengesetzte Bearbeitungskontur ebenfalls kontinuierlich, wenn die zusammengesetzte Bearbeitungskontur nur kontinuierliche Bearbeitungskonturen umfasst. Beispielsweise kann eine erste Bearbeitungskontur ein rundes flächiges und zusammenhängendes Lichtfeld sein und eine zweite Bearbeitungskontur kann die Außenkontur, also die Umrandung, eines Rechtecks sein, bzw. eine aus geraden Linien zusammengesetzte Linie sein. Beide Konturen sind kontinuierlich in dem Sinne, dass sie nicht aus Einzelspots gebildet werden, sondern jeweils ein zusammenhängendes Lichtfeld sind. Werden dem Laserstrahl beide kontinuierlichen Bearbeitungskonturen aufgeprägt, so ist die Bearbeitungskontur zusammengesetzt und kontinuierlich.
Der Laserstrahl mit der aufgeprägten Bearbeitungskontur oder -Kontur wird auf das Material abgebildet, wodurch die Laserenergie gemäß der Laserintensität in das Material eingebracht wird. Durch das Einbringen der Laserenergie wird Material aus dem ursprünglichen Materialverbund herausgelöst. Dies kann beispielsweise durch Prozesse stattfinden, die als Laserablation, Laserbohren, Laserschruppen, Laserpolieren oder Laserbohren bekannt sind.
Indem der Laserstrahl mit der definierten Phasen-, Polarisations- und Amplitudenverteilung auf das Material abgebildet und die Laserenergie in das Material eingebracht wird, wird insbesondere nur dort Material abgetragen, wo die Intensität des Laserstrahls groß genug ist, um einen der vorstehenden Prozesse durchzuführen. Insbesondere wird somit durch die Form der Bearbeitungskontur des Laserstrahls die geometrische Form des Abtrags im Material bestimmt.
Insbesondere wird der Laserstrahl, vorzugsweise mittels einer Bearbeitungsoptik, in die Bearbeitungsebene des Materials abgebildet und auch fokussiert. Beispielsweise kann die Bearbeitungsebene genau auf der Oberfläche des Materials liegen, sie kann aber auch über der Oberfläche, insbesondere aber unter der Oberfläche, also im Volumen des Materials, liegen. Insbesondere kann die Bearbeitungsebene durch die Bearbeitungsoptik in verschiedene Tiefenlagen des Materials fokussiert werden, wobei sich auch während des Bearbeitungsprozesses die Tiefenlage ändern kann.
Wenn der Laserstrahl beim Einbringen der Bearbeitungskontur stationär gehalten wird, dann bedeutet das insbesondere, dass keine laterale relative Bewegung zwischen den Laserstrahl und Material stattfindet. Dies gilt insbesondere in x- und y-Richtung, in der dann keine Bewegung während der gleichzeitigen Bearbeitung der Bearbeitungskontur stattfindet. Eine laterale relative Bewegung zwischen Material und Laserstrahl kann bedeuten, dass sich der Laserstrahl auf dem Material bewegt, wobei entweder das Material über ein Achssystem, beispielsweise mit einem Vorschub bewegt wird, oder der Laser mit einem Scannersystem, beispielsweise einem Laserscanner, bewegt wird.
Im Prozess findet eine solche laterale relative Bewegung zwischen Laserstrahl und Material nicht statt. Dadurch entfällt ein eventueller Vorschubprozess oder eine Linearachsbewegung mit einem Achssystem, um entlang der Bearbeitungskontur zu schneiden. Insbesondere sind bei flächigen Bearbeitungskonturen keine mehrfachen Überfahrten mit parallelen Vorschubtrajektorien notwendig, wodurch besonders viel Prozesszeit eingespart werden kann. Indem ein Vorschub unterbleibt und die Teillaserstrahlen einer Multistrahloptik nicht wie im Stand der Technik über den Rand des Materials gefahren werden müssen, werden die Halterfolie des Materials und die Werkstückaufnahme geschont beziehungsweise nicht durch Laserstrahlung beschädigt.
Ein Lichtmodulator kann daher einen Laserstrahl in der finalen Bearbeitungskontur, der sogenannten Endgeometrie oder Endkontur, auf das Material abbilden und Laserenergie entsprechend in das Material einzubringen. Dies vereinfacht das Verfahren nach dem Stand der Technik, da so lediglich eine einzige Positionierung von Laserstrahl und Material vorgenommen werden muss. Eine Ausrichtung des Werkstückes entlang der Achsen eines Achs- oder Scannersystems entfällt damit, wodurch kostengünstigere Positioniersysteme eingesetzt werden können. Lediglich die Bearbeitungskontur muss zum Werkstück positioniert werden, jedoch - zumindest bei Verwendung einer geschlossenen Kontur - nicht einzelne Konturabschnitte zueinander.
Das Material kann entlang der gesamten Bearbeitungskontur gleichzeitig abgetragen werden, bevorzugt schichtweise abgetragen werden.
Ein gleichzeitiger Abtrag liegt vor, wenn in allen Punkten der Bearbeitungskontur zur selben Zeit, oder innerhalb bestimmter zeitlicher Grenzen, beispielsweise innerhalb der Pulsdauer oder innerhalb der Pulszyklusdauer, die jeweils anteilige Laserenergie des geformten Laserstrahls eingebracht wird. Beispielsweise wird in eine quadratische Bearbeitungskontur in jede Seite des Quadrats gleich viel Laserenergie eingebracht. Zudem findet der Eintrag der Laserenergie zur selben Zeit in alle Seiten statt.
Schichtweise abtragen kann hierbei bedeuten, dass am Ort der eingebrachten Bearbeitungskontur Material gleichmäßig aus dem ursprünglichen Materialverbund entfernt wird. Die Tiefe des Materialabtrags ist dabei an jedem Punkt der eingestrahlten Bearbeitungskontur im Wesentlichen gleich. Insbesondere kann mittels des Laserstrahls ein Materialabtrag, beispielsweise durch Laserbohren, Laserfräsen, Laserpolieren, Laserschneiden, oder dergleichen, durchgeführt werden.
Insbesondere kann ein schichtweiser Abtrag auch bedeuten, dass die Form des Abtrags geschlossen ist. Im Unterschied zum Materialabtrag durch Multispotoptiken, wo jeder Teillaserstrahl einen Materialabtrag räumlich beabstandet zu einem anderen Teillaserstrahl bewirkt, werden also keine Teillaserstrahlen ins Material eingebracht, sondern eine Bearbeitungskontur mit durchgängiger Fläche und/oder Kontur. Somit kann im Abtragsmuster im Material insbesondere nicht auf verschiedene Teillaserstrahlen geschlossen werden, da nur ein einziger Laserstrahl eingebracht wird.
Der Lichtmodulator kann ein räumlicher Lichtmodulator sein.
Unter einem räumlichen Lichtmodulator wird eine Vorrichtung verstanden, die eingerichtet ist, um Licht, insbesondere einen einfallenden Laserstrahl, in zwei Dimensionen zu beeinflussen, wobei sie insbesondere eingerichtet ist, um eine Phasenverteilung, eine Polarisationsverteilung, eine Intensitäts- oder Amplitudenverteilung und/oder eine Propagationsrichtung des Lichts, insbesondere des Laserstrahls, zu beeinflussen.
Der räumliche Lichtmodulator kann dabei ansteuerbar und/oder programmierbar sein, sodass die Beeinflussung des Lichts durch den räumlichen Lichtmodulator einstellbar, insbesondere vorgebbar ist, wobei sie insbesondere gezielt und auf Anforderung geändert werden kann. Der Lichtmodulator kann dabei als Flüssigkristalldisplay ausgebildet sein, und ist bevorzugt als LCOS-SLM (Liquid Crystal on Silicon-Spatial Light Modulator) ausgebildet.
Der einfallende Laserstrahl fällt auf den Anzeigebereich des räumlichen Lichtmodulators, wo beispielsweise durch Ansteuerung dessen Zellen oder Pixel dem Laserstrahl eine Phasenverteilung, Polarisationsverteilung, und/oder Intensitäts- oder Amplitudenverteilung in zwei Dimensionen aufgeprägt werden kann, und vorzugsweise zugleich Einfluss auf die Propagationsrichtung des Lichts nehmen kann. Insbesondere ergibt sich die Beeinflussung der Propagationsrichtung bevorzugt indirekt aus der Beeinflussung insbesondere der Phasenverteilung.
Die Beeinflussung des Laserstrahls ergibt sich beispielsweise aus der doppelbrechenden Eigenschaft jedes Pixels. Unter Doppelbrechung wird hierbei die Eigenschaft verstanden, dass das Laserlicht in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung des Laserstrahls relativ zu einer optischen Achse des Flüssigkristallpixels eine Beeinflussung der Polarisation als auch der Phase erfährt.
Jeder Pixel des Lichtmodulators ist dabei individuell ansteuerbar, so dass jeder Pixel individuell die Phase und die Polarisation des einfallenden Lichtbündels des Laserstrahls modifizieren kann. Über die „Helligkeit“ beziehungsweise Aussteuerung des Pixels lässt sich hierbei die Größe des Effekts steuern. Die Gesamtheit an Pixeln des räumlichen Lichtmodulators ergibt somit eine Strahlbeeinflussungsstruktur, mit der beispielsweise Phase, Amplitude, und/oder Polarisation des Laserstrahls individuell über den lateralen und longitudinalen Strahlquerschnitt beeinflusst werden können.
Insbesondere ist es mit einem räumlichen Lichtmodulator möglich, gezielt eine der vorstehenden Verteilungen zu beeinflussen und die anderen Verteilungen im Wesentlichen unbeeinflusst zu lassen. So kann beispielsweise dem Laserstrahl in Reflexion eine besondere laterale Intensitätsverteilung aufgeprägt werden, und in einem weiteren Schritt die Phasenverteilung der lateralen Intensitätsverteilung angepasst werden.
Der Anzeigebereich in der Anzeigeebene des Lichtmodulators kann in eine Mehrzahl von Anzeigebereichen, insbesondere mindestens zwei Anzeigebereiche, geteilt werden. Dabei kann der erste Anzeigebereich derjenige Anzeigebereich sein, mit dem der Laserstrahl entlang seiner Propagationsrichtung zuerst in Wechselwirkung tritt, wobei der Laserstrahl darauffolgend mit dem zweiten Anzeigebereich in Wechselwirkung tritt. Somit kann der Laserstrahl zweifach oder mehrfach mit demselben räumlichen Lichtmodulator in Wechselwirkung treten.
Eine Wechselwirkung des Laserlichts mit dem Anzeigebereich des räumlichen Lichtmodulators bedeutet, dass der Laserstahl auf den Anzeigebereich trifft, wobei sich seine Phasen-, Polarisations-, und/oder Intensitäts- oder Amplitudenverteilung gemäß der Strahlbeeinflussungsstruktur ändert und der Laserstrahl daraufhin oder währenddessen insbesondere vom Anzeigebereich reflektiert wird. Alternativ ist es auch möglich, dass der Laserstrahl durch den Anzeigebereich hindurchtritt oder durch den Anzeigebereich geleitet wird. In diesem Fall transmittiert der Anzeigebereich den Laserstrahl.
Wenn der Laserstrahl mit dem räumlichen Lichtmodulator in Wechselwirkung getreten ist, beispielsweise erst mit dem ersten und dann mit dem zweiten Anzeigebereich in Wechselwirkung getreten ist, und dabei eine laterale Intensitäts- und Polarisations- oder Phasenverteilung aufgeprägt bekommen hat, dann lässt sich beispielsweise eine Strahlformung vornehmen, indem vorzugsweise hinter dem zweiten Anzeigebereich Strahlanteile des Laserstrahls mit bestimmter Polarisation herausgefiltert werden, insbesondere Strahlanteile mit bestimmter Polarisation zumindest teilweise oder vollständig aus dem Strahlpfad entfernt werden, oder nur Strahlanteile mit bestimmter Polarisation in dem Strahlpfad belassen werden. Insbesondere können Strahlanteile des Laserstrahls mit bestimmter Polarisation als Nutzstrahl ausgewählt werden. Mittels einer Polarisationsfilterung/Polarisationstrennung kann also die Amplitudenverteilung des Laserstrahls in der Zielebene direkt geformt werden. Damit können somit insbesondere Polarisationseffekte zur Verfahrensoptimierung hinsichtlich Effizienz und Qualität ausgenutzt werden.
Der zweite Anzeigebereich kann auch genutzt werden, um Aberrationen zu korrigieren. Auch der erste Anzeigebereich kann zusätzlich oder alternativ zur Korrektur von Aberrationen eingesetzt werden.
Der Laserstrahl kann bei der Wechselwirkung mit dem ersten Anzeigebereich eine erste laterale Amplitudenverteilung aufgeprägt bekommen, die beispielsweise sehr homogen ist. Danach kann die homogene Amplitudenverteilung von dem zweiten Anzeigebereich maskiert werden, so dass nur ein Teil der Amplitudenverteilung zum zu bearbeitenden Material gelenkt wird. Es kann auch sein, dass bei der Wechselwirkung mit dem zweiten Anzeigebereich die Phasenverteilung homogenisiert wird, sprich, dass eine homogene Wellenfront des Laserstrahls erzeugt wird.
Der Laserstrahl kann durch Wechselwirkung mit einem der Anzeigebereiche auch eine Phasenverteilung aufgeprägt bekommen, die einem konvergierenden, also einem fokussierten, Laserstrahl entspricht.
Insgesamt kommt es hierbei nicht zwingend auf die Reihenfolge der Wechselwirkungen mit den Anzeigebereichen an, da jede Wechselwirkung mathematisch gesehene eine Multiplikation des einfallenden Laserlichts mit der entsprechenden Jones-Matrix des jeweiligen Pixels entspricht. Hierbei können bei einstellbaren oder ansteuerbaren räumlichen Lichtmodulatoren die Einträge, also Aussteuerungen der aufeinander multiplizierten Jones-Matrizen prinzipiell beliebig gewählt werden, solange das Endergebnis der insgesamt gewünschten Strahlbeeinflussungsstruktur entspricht. Prinzipiell ist es daher auch möglich durch Wechselwirkung mit mehreren Anzeigebereichen dem Gesamtsystem mehr Freiheitsgrade zur Optimierung der einzelnen Strahlbeeinflussungsstrukturen zuzuführen. Nichtsdestotrotz kann es für das Verfahren und den optischen Aufbau vorteilhaft sein, den Laserstrahl mit den einzelnen Strahlbeeinflussungsstrukturen in einer gewissen Reihenfolge wechselwirken zu lassen.
Indem der Strahl über die verschiedenen Wechselwirkungen mit den Anzeigebereichen Intensitäts- und Phasenverteilungen aufgeprägt bekommt, ist es möglich beliebige Bearbeitungskonturen zu erstellen. Maßgeschneiderte räumliche Intensitätsverteilungen für verschiedene Bearbeitungsprozesse erweisen sich dabei als besonders vorteilhaft.
Insbesondere ist es auch möglich schnell zwischen verschiedenen Bearbeitungskonturen zu wechseln, da lediglich ein entsprechender Ansteuerungsbefehl an den oder die räumlichen Lichtmodulatoren notwendig ist.
Bevorzugt wird die Bearbeitungskontur durch eine von einem ersten Anzeigenbereich des Lichtmodulators hervorgerufene erste Strahlbeeinflussungsstruktur und eine danach durchlaufene von einem zweiten Anzeigenbereich des Lichtmodulators hervorgerufene zweite Strahlbeeinflussungsstruktur hervorgerufen, wobei der erste Anzeigebereich und der zweite Anzeigenbereich den Laserstrahl bevorzugt in Form einer lateralen Intensitäts- und/oder Phasen- und/oder Polarisationsverteilung beeinflussen.
Die Anzeigebereiche können beispielsweise eine Strahlbeeinflussungsstruktur anzeigen, die derart geformt ist, dass der mit dem Anzeigebereich in Wechselwirkung tretende Laserstrahl die gewünschten Strahleigenschaften aufgeprägt bekommt. Dies kann beispielsweise auch mit computergestützten, rückgekoppelten Anzeigebereichen realisiert werden, die stetig oder einmalig die Strahlbeeinflussungsstruktur so anpassen, dass das Bild des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene der gewünschten Strahlform entspricht.
Insbesondere können die Strahlbeeinflussungsstrukturen unterschiedlich sein. Beispielsweise kann in einem ersten Anzeigebereich eine Strahlbeeinflussungsstruktur dem Laserstrahl eine Amplitudenverteilung aufprägen, beispielsweise eine runde Form. Durch die Wechselwirkung mit dem ersten Anzeigebereich wird dabei beispielsweise die Phasenverteilung verändert, so dass über eine zweite Strahlbeeinflussungsstruktur in einem zweiten Anzeigebereich eine Homogenisierung der Phase im Strahlquerschnitt vorgenommen werden kann.
Dies hat den Vorteil, dass bei jeder Wechselwirkung eine spezifische Eigenschaft des Laserstrahls optimiert werden kann, so dass wechselseitige Abhängigkeiten der Lasereigenschaften reduziert oder gegebenenfalls isoliert werden.
Der Laserstrahl kann vor der Abbildung auf das Material auf einen weiteren Lichtmodulator gelenkt werden, um die Polarisation der Bearbeitungskontur lokal zu beeinflussen.
Nachdem der Laserstrahl eine definierte Amplituden- und Phasenverteilung aufgeprägt bekommen hat, kann dem Laserstrahl auch eine lokale Polarisationsverteilung aufgeprägt werden. Vorteilhafterweise wird diese Polarisationsverteilung durch Wechselwirkung mit einem weiteren Lichtmodulator vorgenommen.
Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Qualität der Bearbeitung somit über die Polarisation variiert werden kann.
Die Bearbeitungskontur kann offen oder geschlossen sein, wobei eine geschlossene Bearbeitungskontur bevorzugt kreisförmig oder rechteckig oder quadratisch ist.
Eine Bearbeitungskontur ist offen, wenn sie einen Start- und Endpunkt aufweist. Beispielsweise sind eine gerade Linie, eine geschwungene Linie, wie eine U-förmige Linie, oder eine eckige Linie, also eine aus geraden Linien unter verschiedenen Winkeln zusammengesetzte Linie, eine offene Bearbeitungskontur.
Die Bearbeitungskontur ist geschlossen, wenn sie zumindest abschnittsweise keinen Start- und Endpunkt aufweist. Beispielsweise sind O-förmige Linien, achtförmige Linien, dreieckige oder n-eckige Linienanordnungen geschlossene Bearbeitungskonturen. Auch 4-förmige oder 6-Linien sind zumindest teilweise geschlossene Bearbeitungskonturen, wobei sich in diesem Falle die Bearbeitungskonturen aus geschlossenen und offenen Bearbeitungskonturen zusammengesetzt sind.
Eine runde Bearbeitungskontur kann bedeuten, dass die Kontur der Geometrie vollständig rund ist, also an jedem Punkt der Kontur eine Krümmung aufweist. Insbesondere kann dies bedeuten, dass die Kontur der Bearbeitungskontur ein Kreis ist. Es kann aber auch bedeuten, dass die Geometrie eine Ellipse ist. Insbesondere kann dies bedeuten, dass die Geometrie abschnittsweise gerade ist, also über einen Teil der Konturlänge endliche Strecke keine Krümmung aufweist, wie beispielsweise ein Halbkreis oder Halbmond.
Eine rechteckige Bearbeitungskontur bedeutet, dass sich benachbarte Seiten der Kontur immer im rechten Winkel treffen, wobei zwei gegenüberliegende Seiten gleich lang sind. Eine quadratische Bearbeitungskontur ist eine rechteckige Bearbeitungskontur, bei der alle Seiten gleich groß sind.
Die rechteckige Kontur kann aber auch bedeuten, dass die Ecken des Rechtecks abgerundet sind. Insbesondere gilt für das Rechteck, dass die Kurvenradien der abgerundeten Ecken kleiner sind als die kleinste Seite des Rechtecks.
Runde Bearbeitungskonturen können über Scanner und Achssysteme nur schwer in das Material eingebracht werden, sodass ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens auch darin liegt, runde Geometrien besonders einfach aus dem Material zu trennen. Rechteckige Konturen können über Scanner und Achssysteme deutlich einfacher in das Material eingebracht werden, jedoch sind an den Ecken immer Umpositionierungs- und Ausrichtungsschritte notwendig, um die Seiten des Rechtecks im rechten Winkel aufeinander zu führen. Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens liegt also auch darin, rechteckige Bearbeitungskonturen besonders einfach aus dem Material zu trennen.
Eine auszuschneidende Form kann in dem Material vollständig durch die Bearbeitungskontur abgebildet werden und das Ausschneiden der auszuschneidenden Form in dem Material kann mit stationär gehaltenem Laserstrahl durchgeführt werden.
Insbesondere ist es dadurch möglich, dass die Bearbeitungskontur als Ganzes in das Material eingebracht wird und somit keine Bewegung des Lasers oder des Materials notwendig ist. Dadurch wird vermieden, dass der Laserstrahl, wie beim Schneiden mittels Multispotoptiken üblich, über den Rand des Materials hinaus verfahren werden muss, wo durch eine Beschädigung des Werkstückhalters vermieden werden kann.
Insbesondere erlaubt das Verfahren, dass die tatsächliche Bearbeitungskontur auf das Material abgebildet wird, so dass das Werkstück beim Verfahren auch nicht mehr gedreht werden muss, wenn die gewünschte Bearbeitungskontur nicht linear verläuft.
Zudem wird das Material entlang der Kontur nicht punktweise abgetragen wie es bei gepulsten Multistrahloptiken der Fall ist. Dadurch wird eine höhere Qualität der Schneidekante erreicht.
Der Laserstrahl kann von einem Ultrakurzpulslaser zur Verfügung gestellt werden, wobei die Pulsdauer zwischen 300fs und 10ps, insbesondere bei 1ps, liegt, und/oder die maximale Fluenz zwischen 0,3 J/cm² und 30 J/cm², insbesondere zwischen 1 J/cm² und 5 J/cm², liegt, und/oder der Fokusdurchmesser, und somit das kleinste einbringbare Detail, der Bearbeitungskontur zwischen 5µm und 50µm, insbesondere 9µm, groß ist.
Ein Ultrakurzpulslaser ermöglicht das Einbringen von Laserenergie in das Material in sehr kurzen Zeitskalen. Die Zeitskala, in der die Laserenergie in das Material eingebracht wird, ist die sogenannte Pulsdauer des ultrakurzen Laserpulses. Die Pulsdauer kann zwischen 300 fs und 10 ps betragen insbesondere kann die Pulsdauer 1 ps betragen. Auch können Pulszüge, insbesondere sogenannte Bursts, auch Gigahertz-Bursts, erzeugt werden.
Die Fluenz eines Laserpulses ergibt sich aus der Intensitätsverteilung des Strahls, also beispielsweise dem räumlichen Strahlprofil, sowie aus der Pulsdauer und beschreibt die in das Material pro Quadratzentimeter eingebrachte Laserenergie. Die maximale Fluenz kann hierbei zwischen 0,3 J/cm² und 30 J/cm², bevorzugt zwischen 1 J/cm² und 5 J/cm² liegen.
Der Laserstrahl wird üblicherweise mit einer Optik, beispielsweise einer Linse gebündelt, sodass die Intensität beziehungsweise die Fluenz des Laserstrahls im Fokus, also dem Bereich der Durchmesser des Laserstrahls am kleinsten wird, besonders groß wird. Der Durchmesser des Strahls im Fokus ist der sogenannte Fokusdurchmesser, welcher das kleinste einbringbare Detail der Bearbeitungskontur definiert. Somit begrenzt der Fokusdurchmesser die räumliche Auflösung der Bearbeitungskontur.
Beispielsweise kann ein Laserstrahl mit einem Fokusdurchmesser von 40 µm keine runde Bearbeitungskontur mit einem Durchmesser von 3 µm in das Material einbringen.
Die Wellenlänge des Laserstrahls kann insbesondere zwischen 300 nm und 1600 nm, vorzugsweise zwischen 450 nm und 1600 nm, liegen, insbesondere kommen 515 nm oder 1030 nm infrage. Die Wellenlänge kann aber auch unterhalb oder oberhalb des hier genannten Bereichs liegen.
Die Bearbeitungskontur kann zwischen 0,5×0,5 mm² bis 20x20 mm² groß sein.
Eine Größe von 0,5×0,5 mm² bis 20x20 mm² kann bedeuten, dass die kleinste Kantenlänge eines Rechtecks 0,5 mm groß ist, beziehungsweise die größte Kantenlänge eines Rechtecks 20 mm groß ist. Insbesondere kann dies bedeuten, dass die kleinste Bearbeitungskontur ein Quadrat mit einer Kantenlänge von 0,5 mm ist beziehungsweise die größte Bearbeitungskontur ein Quadrat mit einer Kantenlänge von 20 mm ist.
Es kann aber auch bedeuten, dass der Durchmesser eines Kreises zwischen 0,5 mm und 20 mm groß ist, beziehungsweise dass bei einer elliptischen Bearbeitungskontur die langen und kurzen Achsen der Ellipse zwischen 0,5 und 20 mm groß sind.
Beispielsweise kann eine Rechteck 5×15 mm² groß sein. Beispielweise kann eine Ellipse eine lange Achse von 17 mm und eine kleine Achse von 1 mm aufweisen.
Der Laserstrahl kann mehrfach, insbesondere doppelt, mit demselben räumlichen Lichtmodulator in Wechselwirkung treten, wobei der räumliche Lichtmodulator dann gleichzeitig den ersten und den zweiten Anzeigenbereich anzeigt.
Dies kann bedeuten, dass der Laserstrahl, nachdem er mit einem Anzeigebereich des räumlichen Lichtmodulators in Wechselwirkung getreten ist, abermals zu demselben räumlichen Lichtmodulator gelenkt wird und dabei mit einem Anzeigebereich räumlichen Lichtmodulators in Wechselwirkung tritt.
Der Anzeigebereich kann hierbei insbesondere ein anderer Anzeigebereich desselben räumlichen Lichtmodulators sein.
Dies hat den Vorteil, dass ein einzelner räumlicher Lichtmodulator den Laserstrahl zweimal in unterschiedlicher Art und Weise beeinflussen kann. Beispielsweise kann dem Laserstrahl bei der ersten Wechselwirkung eine Intensitätsverteilung aufgeprägt werden. Beispielsweise kann dem Laserstrahl bei der zweiten Wechselwirkung eine Phasenverteilung und/oder Polarisationsverteilung aufgeprägt werden. Eine mehrfache Wechselwirkung erhöht also die Freiheitsgrade hinsichtlich der justierbaren Verteilungsparameter. Zudem ist es deutlich kostengünstiger, lediglich einen räumlichen Lichtmodulator in der Vorrichtung zu verbauen.
Die Phase, Polarisation und die Bearbeitungskontur des Laserstrahls können durch eine Kombination von mindestens zwei Wellenplatten, insbesondere von einem λ/4-Ptättchen und einem λ/2-Ptättchen, eingestellt werden.
Ein Wellenplättchen ist eine sogenannte Verzögerungsplatte, welches abhängig vom verwendeten Material, Dicke und Ausrichtung der optischen Achse dem durchfallenden Licht abhängig von dessen Polarisationsrichtung eine gewisse Phasenverzögerung aufprägt.
Bei einer λ/2-Ptatte, einer speziellen Ausbildungsform der Wellenplatte, ist es möglich, die gesamte Polarisation des Strahls, also in jedem Punkt der Bearbeitungskontur, einheitlich zu drehen. Beispielsweise kann die Polarisation einer abschnittsweisen s-polarisierten Bearbeitungskontur in einen abschnittsweise p-polarisierte Bearbeitungskontur überführt werden, während die abschnittsweise p-Polarisation derselben Bearbeitungskontur einen abschnittsweise s-polarisierte Bearbeitungskontur überführt. Somit ist es insbesondere möglich, die Polarisation so zu drehen, dass ein nachfolgender Polarisator die unerwünschten Strahlteile herausfiltert.
Bei einer λ/4-Ptatte, ebenfalls einer speziellen Ausbildungsform der Wellenplatte, ist es möglich, eine lineare Polarisation abhängig von ihrer Ausrichtung zur optischen Achse der λ/4-Platte in eine zirkulare Polarisation zu überführen. Gleichzeitig kann ein zirkular polarisierter Strahlteil in eine lineare Polarisation überführt werden. Somit ist es insbesondere möglich, die Polarisation der erwünschten Strahlteile so einzustellen, dass die einen nachfolgenden Polarisator passieren und die unerwünschten Strahlteile herausgefiltert werden.
Durch die gezielte Positionierung und Einstellung von λ/2-Ptatte und λ/4-Ptatte kann so die Phase und Polarisation entlang der Bearbeitungskontur eingestellt werden. Somit können beispielsweise in der Bearbeitungsebene gezielt Konturen zur Bearbeitung eingestellt werden. Beispielsweise können so rechteckige Konturen für Chips direkt aus Siliziumwafern ausgeschnitten werden, wobei die Größenordnung der Strahlform auf dem Werkstück der gewünschten Chipgeometrie entspricht.
Die dem Laserstrahl aufgeprägte Bearbeitungskontur kann beim Durchgang durch einen Polarisator, insbesondere einen Dünnschichtpolarisator, geschärft werden.
Bei der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Anzeigebereich des räumlichen Lichtmodulators kann es schwer sein, den genauen Polarisationszustand des Lichts im Bearbeitungsbereich festzulegen, wenn bereits die genaue Intensitäts- und Phasenverteilung vorgegeben ist. Eine gleichzeitige Einstellung der Polarisation kann daher unter Umständen nur annäherungsweise erreicht werden.
Mit einem Polarisator ist es daher möglich, lediglich Polarisationsanteile einer bestimmten Polarisationsrichtung zu transmittieren, so dass die unerwünschten Strahlteile aus dem Laserstrahl herausgefiltert werden können.
Durch die Filterung einer bestimmten Polarisation ergibt sich so in der Bearbeitungsebene eine scharfe Bearbeitungskontur, da die unerwünschten Strahlteile herausgefiltert wurden. Gewissermaßen erhöht die spätere Filterung der Polarisation im Strahlengang die Anzahl an Einstellungsfreiheitsgraden in den Anzeigebereichen, da bei der Erzeugung von Phasen- und Intensitätsverteilung weniger Rücksicht auf die genaue Polarisationsverteilung genommen werden muss.
Da die Filterung unerwünschter Polarisationsteile auch die Intensitätsverteilung im Strahlengang beeinflusst, kann es sinnvoll sein, die Strahleigenschaften mit einer Rückkopplungsvorrichtung zu überprüfen und die Einstellungen der Anzeigebereiche entsprechend anzupassen.
Vor dem Abbilden des Laserstrahls mit der aufgeprägten Bearbeitungskontur kann die Polarisation des Laserstrahls durch Wechselwirkung mit einem weiteren Lichtmodulator lokal eingestellt werden.
Der Laserstrahl kann hinter dem zweiten Anzeigebereich mit einem dritten Anzeigebereich eines ansteuerbaren räumlichen Lichtmodulators beispielsweise demselben oder einem weiteren räumlichen Lichtmodulator in Wechselwirkung gebracht werden. Dabei wird durch Ansteuerung des Lichtmodulators in dem dritten Anzeigebereich eine dritte Strahlbeeinflussungsstruktur erzeugt. Diese dritte Strahlbeeinflussungsstruktur ist bevorzugt von der ersten Strahlbeeinflussungsstruktur und von der zweiten Strahlbeeinflussungsstruktur verschieden.
Sowohl in dem ersten Anzeigebereich als auch in dem zweiten Anzeigebereich wird jeweils als Strahlbeeinflussungsstruktur eine Phasenbeeinflussungsstruktur erzeugt. Vorzugsweise wird durch die erste Phasenbeeinflussungsstruktur in dem ersten Anzeigebereich eine erste Amplitudenverteilung des Laserstrahls nach einer ersten Propagationsstrecke beeinflusst und durch die zweite Phasenbeeinflussungsstruktur in dem zweiten Anzeigebereich eine Phasenverteilung in einer Querschnittsebene des Laserstrahls homogenisiert und/oder eine zweite Amplitudenverteilung nach einer zweiten Propagationsstrecke beeinflusst.
In dem dritten Anzeigebereich wird als dritte Strahlbeeinflussungsstruktur eine Polarisationsbeeinflussungsstruktur erzeugt, durch welche die Polarisation des Laserstrahls lokal beeinflusst wird.
Das Hinzufügen einer weiteren Strahlbeeinflussungsstruktur ermöglicht es, die Polarisationsverteilung des Laserstrahls entlang der Bearbeitungskontur gezielt und im Wesentlichen getrennt von der Intensitäts- und Phasenverteilung zu beeinflussen. Gewissermaßen wird durch einen weiteren räumlichen Lichtmodulator dem Verfahren ein weiterer Freiheitsgrad hinzugefügt, so dass insgesamt Intensitäts- Phasen- und Polarisationsverteilung optimal eingestellt werden können.
Hinter dem dritten Anzeigebereich können des Weiteren Strahlanteile des Laserstrahls mit bestimmter Polarisation gefiltert werden, was erneut zu einem Schärfen der Kontur beitragen kann. Hierzu wird bevorzugt die Polarisation mittels der Polarisationsbeeinflussungsstruktur lokal, insbesondere pixelweise, so gedreht, dass es zu maximaler Transmission sowie maximaler Reflexion der entsprechenden Strahlanteile an dem Dünnschichtpolarisator kommt.
Insbesondere können die ersten beiden Anzeigebereiche genutzt werden, um eine gewünschte, möglichst scharfe, Intensitätsverteilung zu erzeugen, beispielsweise einen Flat-Top-Laserstrahl. Der dritte Anzeigebereich kann insbesondere in Zusammenhang mit der Polarisationstrennung genutzt werden kann, um die endgültige Form des Laserstrahls zu definieren.
Insgesamt können mithilfe des Verfahrens aufgrund des hochflexiblen Strahlformungsprozesses Laserstrahlen mit sehr hoher Qualität in der Intensitätsverteilung, insbesondere bezüglich Außenkontur und Homogenität, erzeugt werden.
Beispielsweise ist es so möglich, dass ein Teil der Bearbeitungskontur p-polarisiert ist, während ein anderer Teil s-polarisiert ist. Es ist auch möglich, dass ein s-polarisierter Teil in einen p-polarisierten Teil übergeht, wobei die Größe des Übergangsbereichs durch die Polarisationsbeeinflussungsstruktur gegeben ist.
Die Polarisation des Laserstrahls mit der aufgeprägten Bearbeitungskontur kann lokal immer senkrecht zur Bearbeitungskontur stehen.
Der Einsatz eines weiteren räumlichen Lichtmodulators erlaubt zusätzlich eine lokale Einstellung der Polarisation der Laserstrahlung über eine weitere Polarisationsbeeinflussungsstruktur. Somit kann die Polarisation lokal an die Kontur angepasst werden und die Prozesseffizienz beziehungsweise die Qualität des Prozesses gesteigert werden.
Lokal senkrecht bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Polarisationsrichtung in jedem Ort der Bearbeitungskontur immer senkrecht zur Bearbeitungskontur steht. Bei einem Rechteck kann so die Polarisation beispielsweise bei gegenüberliegenden Seiten parallel zueinander sein, während die Polarisation benachbarter Seiten senkrecht zueinander steht. Insbesondere kann bei einer kreisförmigen Bearbeitungskontur die Polarisation stets radial verlaufen, so dass die Polarisationsrichtung immer zum Kreismittelpunkt zeigt.
Durch die lokal senkrechte Polarisation kann insbesondere sichergestellt werden, dass die Kanten des abgetrennten Materials immer mit derselben Polarisationsrichtung bearbeitet wurden, wodurch beispielsweise die Qualität der Schnittkanten steigt.
Der oder die Lichtmodulatoren können aus einer Gruppe von Lichtmodulatoren, bestehend aus räumlichen Lichtmodulatoren, Nanogittern, Hybridelementen, leistungstauglichen Blenden und diffraktiven optischen Elementen, gewählt wird oder werden.
Dies hat den Vorteil, dass für fixe Bearbeitungskonturen und feststehende Prozesse die räumlichen Lichtmodulatoren durch kostengünstigere Alternativen ersetzt werden können.
Figurenliste
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines optischen Aufbaus zur Durchführung des Verfahrens;
2 eine weitere schematische Darstellung eines optischen Aufbaus zur Durchführung des Verfahrens mit einem räumlichen Lichtmodulator;
3 eine weitere schematische Darstellung eines optischen Aufbaus zur Durchführung des Verfahrens mit zwei räumlichen Lichtmodulatoren;
4 verschiedene Bearbeitungskonturen;
5 A, B ein Vergleich des vorgeschlagenen Verfahrens mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik;
6 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungskontur auf der lateralen Ausdehnung der Bearbeitungskontur lokal senkrechter Polarisation des Bearbeitungsstrahls; und
7 eine schematische Darstellung einer weiteren Bearbeitungskontur und Bearbeitungsprozesses.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
Wegen der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten eines räumlichen Lichtmodulators, insbesondere bezüglich der einstellbaren Amplituden-, Phasen- und Polarisationsverteilungen, wird im Folgenden das Verfahren nur anhand des räumlichen Lichtmodulators besprochen. Alternativ können jedoch anstelle des räumlichen Lichtmodulators auch andere Lichtmodulatoren eingesetzt werden, sofern sie den Laserstrahl in gleicher Weise beeinflussen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung 100 zum Formen eines eintreffenden Laserstrahls 200, die einen ansteuerbaren räumlichen Lichtmodulator 110 aufweist. Der räumliche Lichtmodulator 110 kann als Flüssigkristalldisplay ausgebildet sein, welches frei wählbare, insbesondere programmierbare oder elektronisch einstellbare, Strahlbeeinflussungsstrukturen in den Anzeigebereichen 1111, 1112 vorgeben kann.
Die Anzeigeebene 111 des Lichtmodulators 110 kann in eine Mehrzahl von Anzeigebereichen geteilt werden und in wenigstens einem ersten Anzeigebereich 1111 eine erste Strahlbeeinflussungsstruktur und in einem zweiten Anzeigebereich 1112 eine zweite Strahlbeeinflussungsstruktur darstellen.
Die ganz schematisch dargestellte Strahlführungsoptik 130 ist dazu eingerichtet, den Laserstrahl 200 entlang seiner Propagationsrichtung zunächst mit dem ersten Anzeigebereich 1111 und danach mit dem zweiten Anzeigebereich 1112 in Wechselwirkung zu bringen. Dabei weist die Strahlführungsoptik 130 bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel einen ersten Spiegel 131 auf, der angeordnet ist, um den von dem ersten Anzeigebereich 1111 kommenden Laserstrahl 200 zu dem zweiten Anzeigebereich 1112 zu lenken. Es ist möglich, dass zusätzlich eine abbildende optische Anordnung mit wenigstens einem abbildenden optischen Element zwischen dem ersten Anzeigebereich 1111 und dem zweiten Anzeigebereich 1112 im Strahlpfad des Laserstrahls 200 vorgesehen ist, beispielsweise eine Linse. Auch ist es möglich, dass der Spiegel 131 als abbildendes optisches Element ausgestaltet ist. Dabei sind der erste Anzeigebereich 1111 und der zweite Anzeigebereich 1112 bevorzugt jeweils in einer Fokusebene des abbildenden optischen Elements oder der abbildenden optischen Anordnung so angeordnet, dass eine 2f-Anordnung verwirklicht wird.
Die Strahlführungsoptik 130 weist hier außerdem einen zweiten Spiegel 133 auf, der den Laserstrahl 200 hinter dem zweiten Anzeigebereich 1112 in Richtung des zu bearbeitenden Materials 300 umlenkt.
Der Laserstrahls 200 wird mit dem Spiegel 131 zunächst mit dem ersten Anzeigebereich 1111 in Wechselwirkung gebracht, wobei er danach mit dem zweiten Anzeigebereich 1112 in Wechselwirkung gebracht wird. Durch Ansteuern des Lichtmodulators 110 wird in dem ersten Anzeigebereich 1111 eine erste Strahlbeeinflussungsstruktur und in dem zweiten Anzeigebereich 1112 eine zweite, insbesondere von der ersten verschiedene, Strahlbeeinflussungsstruktur erzeugt.
Insbesondere wird bevorzugt sowohl in dem ersten Anzeigebereich 1111 als auch in dem zweiten Anzeigebereich 1112 als Strahlbeeinflussungsstruktur jeweils eine Phasenbeeinflussungsstruktur erzeugt, wobei durch die erste Phasenbeeinflussungsstruktur in dem ersten Anzeigebereich 1111 bevorzugt eine erste Amplitudenverteilung des Laserstrahls nach einer ersten Propagationsstrecke, insbesondere in der Ebene des zweiten Anzeigebereichs 1112, bereitgestellt wird. Durch die zweite Phasenbeeinflussungsstruktur in dem zweiten Anzeigebereich 1112 wird eine Phasenverteilung in einer Querschnittsebene des Laserstrahls 200 homogenisiert. Alternativ oder zusätzlich wird durch die Phasenbeeinflussungsstruktur in dem zweiten Anzeigebereich 1112 eine zweite Amplitudenverteilung nach einer zweiten Propagationsstrecke, insbesondere auf einer Zielebene oder Bearbeitungsebene 310, beeinflusst.
Insbesondere ist es möglich, dass mittels der ersten Phasenbeeinflussungsstruktur eine Flat-Top-Intensitätsverteilung des Laserstrahls 200 auf dem zweiten Anzeigebereich 1112 erzeugt wird, wobei durch die zweite Phasenbeeinflussungsstruktur eine Phasenwölbung des Flat-Tops geglättet und damit die Wellenfront des Laserstrahls 200 geebnet, und/oder ein bestimmtes Propagationsverhalten oder eine bestimmte Schärfentiefe des Laserstrahls 200 eingestellt, und/oder eine räumliche Winkelverteilung des Laserstrahls 200 beeinflusst, und/oder eine Homogenität oder Inhomogenität des Laserstrahls 200 gezielt beeinflusst, und/oder eine Außenkontur des Laserstrahls 200 beeinflusst, besonders bevorzugt geschärft wird.
Insbesondere können durch die Strahlbeeinflussungsstrukturen kontinuierliche Bearbeitungskonturen auf das Material 300 abgebildet werden, so dass eine durchgängige Bearbeitung des Materials 300 möglich ist.
Die Anordnung 100 weist bevorzugt eine Bearbeitungsoptik 170 auf, die dazu angeordnet und eingerichtet ist, um den von dem Lichtmodulator 110 kommenden Laserstrahl 200 auf ein Werkstück 300, insbesondere auf die Bearbeitungsebene 310 des Werkstücks 300, die zugleich auch als Zielebene bezeichnet wird, abzubilden.
Die Bearbeitungsoptik 170 kann als Teleskop 171 ausgebildet sein, besonders bevorzugt als 4f-Teleskop, durch welches der zweite Anzeigebereich 1112 derart auf die Bearbeitungsebene 310 abgebildet wird, dass das elektrische Feld des Laserstrahls 200 in der Ebene des zweiten Anzeigebereichs 1112 sowohl in Phase als auch Amplitude genau dem elektrischen Feld in der Bearbeitungsebene 310 entspricht, gegebenenfalls bis auf eine Vergrößerung, Verkleinerung und/oder Polarisationsänderung.
Somit wird im Rahmen des Verfahrens mit dem Laserstrahl 200 hinter dem Lichtmodulator 110 das Werkstück 300 bestrahlt.
In 2 ist eine Laserstrahlquelle 220 dargestellt, von welcher der Laserstrahl 200 ausgeht und durch welche bevorzugt der Laserstrahl 200 erzeugt wird. Die Laserstrahlquelle 220 kann insbesondere als Ultrakurzpulslaser ausgebildet sein, der eingerichtet ist, um Laserpulse mit einer zeitlichen Pulsbreite in der Größenordnung von Pikosekunden bis Femtosekunden zu erzeugen.
Des Weiteren ist in 2 eine Auskoppeloptik 140 vorgesehen, die ohne weiteres auch bei dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen sein kann, dort lediglich nicht explizit dargestellt ist. Die Auskoppeloptik 140 ist eingerichtet und angeordnet, um einen von einem Anzeigebereich 1111, 1112 der Mehrzahl von Anzeigebereichen 1111, 1112 kommenden Teillaserstrahl auf eine Diagnoseeinrichtung 150 zu lenken, mit der die Strahlqualität beurteilt werden kann.
Die Diagnoseeinrichtung 150 ist mit dem räumlichen Lichtmodulator 110 rückgekoppelt, um eine gewünschte Intensitätsverteilung oder Amplitudenverteilung, eine Phasenverteilung, und/oder eine Polarisationsverteilung des Laserstrahls, sicherzustellen. Auf diese Weise kann insbesondere ein geschlossener Regelkreis zur Regelung der wenigstens eine Eigenschaft des Laserstrahls 200 verwirklicht werden.
Vorzugsweise ist die Diagnoseeinrichtung 150 dazu eingerichtet, eine Korrektur einer Phasenverschiebung zu ermitteln, wenn eine insbesondere lineare Polarisation des Laserstrahls 200 auf dem Lichtmodulator 110 so ausgerichtet ist, dass der Lichtmodulator 110 den Polarisationszustand des Laserstrahls 200 abhängig von seiner Ansteuerung verändert und eine Phasenverschiebung zwischen den zwei Anzeigebereichen auftritt.
Vorzugsweise ist die Diagnoseeinrichtung 150 dazu eingerichtet, die Korrektur der Ansteuerung für eine Mehrzahl von Anzeigebereichen in Abhängigkeit von einem Strahlparameter und/oder einer Strahlwirkung des Laserstrahls 200 auf dem Lichtmodulator 110 -vorzugsweise global oder lokal - zu ermitteln, wobei der Strahlparameter bevorzugt ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: einer Fluenz, einer Intensität, und einer mittleren Leistung. Die Strahlwirkung ist bevorzugt eine Temperatur.
In 2 weist die Anordnung 100 eine Strahlformoptik 160 auf, die angeordnet und eingerichtet ist, um eine Polarisation, insbesondere eine lineare Polarisation, des Laserstrahls 200 zwischen dem ersten Anzeigebereich 1111 und dem zweiten Anzeigebereich 1112 zu verändern, insbesondere zu drehen. Dabei weist die Strahlformoptik 160 hier eine erste λ/2-Ptatte 162 auf, die dem Laserstrahl 200 vor dem ersten Anzeigebereich 1111 eine definiert ausgerichtete, erste lineare Polarisation verleiht. Die Strahlformoptik 160 weist außerdem eine erste λ/4-Ptatte 163 auf, die derart vor dem ersten Spiegel 131 angeordnet ist, dass sie von dem Laserstrahl 200 auf dessen Weg von dem ersten Anzeigebereich 1111 zu dem zweiten Anzeigebereich 1112 zweimal passiert wird. Mithilfe der ersten λ/4-Ptatte kann die erste lineare Polarisation in eine zweite lineare Polarisation gedreht werden, mit welcher der Laserstrahl dann auf den zweiten Anzeigebereich 1112 trifft.
Bevorzugt ist die erste lineare Polarisation parallel zu einer bestimmten Kristallachse der beiden Kristallachsen der bevorzugt doppelbrechenden Kristalle des Lichtmodulators 110 ausgerichtet, sodass die Polarisation des Laserstrahls 100 in dem ersten Anzeigebereich 1111 nicht verändert wird, sondern lediglich Phasen- und/oder Amplitudenverteilung des Laserstrahls verändert wird.
Durch die erste λ/4-Ptatte 163 wird die Polarisation des Laserstrahls 200 derart gedreht, dass die zweite lineare Polarisation nicht mehr parallel zu der bestimmten Kristallachse der Kristalle des Lichtmodulators ausgerichtet ist, sodass nunmehr die Polarisation des Laserstrahls 200 in dem zweiten Anzeigebereich 1112 verändert, insbesondere lokal, insbesondere pixelweise, gedreht werden kann.
Beispielsweise kann das Laserlicht nach Durchlaufen der ersten λ/2-Ptatte 162 eine p-Polarisation aufweisen, so dass durch Wechselwirkung mit dem ersten Anzeigebereich 1111 die Polarisation des Strahls nicht verändert wird. Nach dem zweifachen Durchlaufen der λ/4-Ptatte 163 weist der Laserstrahl 200 eine s-Polarisation auf, so dass die Polarisation durch eine Wechselwirkung mit dem zweiten Anzeigebereich 1112 gedreht werden kann.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Strahlformoptik 160 hinter dem zweiten Anzeigebereich 1112 eine Polarisationstrenneinrichtung 161 auf, die angeordnet und eingerichtet ist, um verschieden polarisierte Strahlanteile des von dem zweiten Anzeigebereich 1112 kommenden Laserstrahl 200 zu filtern und/oder voneinander zu trennen. Somit kann insbesondere der Laserstrahl 200 mit hoher Schärfe beliebig geformt werden, es können aber auch Intensitätsverläufe dargestellt werden.
Die Polarisationstrenneinrichtung 161 weist einen Dünnschichtpolarisator 1612 auf, durch den Strahlanteile mit bestimmter Polarisation transmittiert und Strahlanteile mit bestimmter anderer Polarisation reflektiert werden. Die Polarisationstrenneinrichtung 161 weist außerdem eine Strahlfalle 1613 auf, in die unerwünschte Strahlanteile, die mittels des Dünnschichtpolarisators 1612 ausgekoppelt wurden, geleitet und dort vernichtet werden. Weiter weist die Strahlformoptik 161 eine zweite λ/2-Ptatte 1611 auf, durch welche die durch den räumlichen Lichtmodulator 110 veränderte Polarisation auf den Dünnschichtpolarisator ausgerichtet werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann mittels der bevorzugt verstellbaren λ/2-Ptatte eingestellt werden, in welchem Umfang unerwünschte Strahlanteile durch den Dünnschichtpolarisator 1612 abgelenkt werden.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl 200 zwischen der ersten λ/2-Platte 162 und dem ersten Anzeigebereich 1111 mittels eines dritten Spiegels 135 umgelenkt.
Die Bearbeitungsoptik 170 weist hier neben dem Teleskop 171 noch einen vierten Spiegel 174 zum Umlenken des Laserstrahls 200, die Bearbeitungslinse 172, sowie außerdem eine zweite λ/4-Ptatte 173 auf, wobei mittels der zweiten λ/4-Ptatte 173 vorzugsweise zirkular polarisiertes Licht erzeugt wird, was Vorteile mit Blick auf die Bearbeitung des Werkstücks 300 haben kann.
Im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens wird bevorzugt wenigstens eine Eigenschaft des Laserstrahls mittels der Diagnoseeinrichtung 150 ermittelt, wobei die erste Strahlbeeinflussungsstruktur und/oder die zweite Strahlbeeinflussungsstruktur in Abhängigkeit von der wenigstens einen ermittelten Eigenschaft verändert wird/werden. Der Teillaserstrahl wird hierzu bevorzugt aus dem Strahlpfad ausgekoppelt.
In 3 weist die Anordnung 100 einen weiteren räumlichen Lichtmodulator 110' auf. Der zusätzliche räumlichen Lichtmodulator 110' ist hierbei vorzugsweise Teil des Strahlenpfads der Bearbeitungsoptik 170, wobei der Laserstrahl 200 durch eine Linse 175 fällt und über einen Umlenkspiegel 177 mit dem dritten Anzeigebereich 1113 in der Anzeigeebene 112 des weiteren räumlichen Lichtmodulators 110' in Wechselwirkung tritt.
Mit der λ/2-Platte 173 kann die Polarisation des Laserstrahls 200 so eingestellt werden, dass die Wechselwirkung mit dem dritten Anzeigebereich 1113 eine Drehung der Polarisation erlaubt. Insbesondere kann dadurch die Polarisation lokal entlang der Bearbeitungskontur gedreht werden. Das bedeutet, dass die Polarisation stets orthogonal zur Bearbeitungskontur steht, wodurch in vorteilhafter Weise das Material bearbeitet werden kann und insbesondere eine homogene Kantenqualität unabhängig von der räumlichen Ausrichtung der jeweiligen Kontur erreicht wird.
Nach der Wechselwirkung mit dem dritten Anzeigebereich 1113 wird der Laserstrahl 200 über einen weiteren Umlenkspiegel 178 und eine weitere Linse 176 durch die Auskoppeloptik 140 auf das zu bearbeitenden Material 300 gelenkt und darauf abgebildet.
Über die Auskoppeloptik 140 kann mit der Diagnoseeinrichtung 150 mindestens eine Eigenschaft des Laserstrahls 200 analysiert werden, sodass über eine elektronische Rückkopplung der Ansteuerung der beiden räumlichen Lichtmodulatoren 110 und 110' so gewählt werden kann, dass in der Bearbeitungsebene 310 der Laserstrahl 200 die gewünschte Intensitätsverteilung, Phasenverteilung und Polarisationsverteilung aufweist.
In 4 ist ein möglicher Verlauf der Strahlform entlang des Strahlpfads gezeigt. Beispielsweise ist in 4A angezeigt, wie die Intensitätsverteilung des Strahls aussieht, nachdem ein Gaußförmiger Strahl mit dem ersten Anzeigebereich 1111 in Wechselwirkung getreten ist. Es ist deutlich zu sehen, dass die Intensitätsverteilung eine annähernd quadratische Form aufweist, die deutlich von einer Gauß‘schen Intensitätsverteilung abweicht. Es ist jedoch ebenso ersichtlich, dass die Intensität noch nicht vollständig homogen ist, sodass weitere Schritte zur Optimierung der Strahlform notwendig sind.
Aus diesem Grund kann der Strahl für eine weitere Wechselwirkung auf den zweiten Anzeigebereich 1112 gelenkt werden, wie in 4B gezeigt ist. Beim Umlenkvorgang kann der Laserstrahl zweimal eine λ/4-Ptatte passieren, wodurch die Polarisation des Laserstrahls so gedreht wird, dass die Polarisation nicht mehr entlang einer bestimmten Kristallachse des Flüssigkristalldisplays entspricht, sodass dort bei der Wechselwirkung mit dem zweiten Anzeigebereich 1112 die Polarisation beeinflusst werden kann. Zudem ist die zweite Wechselwirkung mit dem zweiten Anzeigebereich 1112 in der Lage, die Intensitätsverteilung weiter zu homogenisieren und die Kanten der Intensitätsverteilung zu glätten und so den Laserstrahl 200 für eine folgende Schärfung zu modifizieren.
In 4C ist die Intensitätsverteilung gezeigt, nachdem der Laserstrahl 200 mit dem zweiten Anzeigebereich 1112 in Wechseldeckung getreten ist und von einem Dünnschichtpolarisator 1612 durch Ausleiten der unerwünschten Strahlanteile geschärft worden ist. Beim Durchgang des Laserstrahls 200 durch den Dünnschichtpolarisator 1612 wurden alle unerwünschten Polarisationsrichtungen aus dem Strahl entfernt, sodass eine definierte Polarisationsverteilung im Strahl verbleibt.
Nach dem Passieren des Dünnschichtpolarisators 1612, der das Schärfen der Kontur vollendet, kann ein weiterer Übergang über einen räumlichen Lichtmodulator erfolgen, wodurch die Polarisation abhängig vom gewünschten Prozessergebnis lokal eingestellt werden kann.
In 4D sind verschiedene Strahlformen gezeigt, die sich ergeben können, wenn beispielsweise der geschärfte Laserstrahl 200 mit dem Anzeigebereich 1113 eines weiteren räumlichen Lichtmodulators 110' in Wechselwirkung tritt. Die Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem zweiten Anzeigebereich 1112 kann die Polarisation des Laserstrahls 200 jedoch bereits teilweise so drehen, dass beim Schärfungsprozess die Filterung der unerwünschten Polarisationsrichtungen eine entsprechende Bearbeitungskontur ergibt.
In 4E ist eine zusammengesetzte Bearbeitungskontur gezeigt, die zwei Quadrate mit unterschiedlicher Seitenlänge umfasst, wobei beide Quadrate übereinander zentriert sind. Beide Quadrate sind für sich genommen kontinuierliche Bearbeitungskonturen, so dass die zusammengesetzte Bearbeitungskontur ebenfalls kontinuierlich ist.
In einer weiteren Variante können aber auch die gezeigten Bearbeitungskonturen mit deren gewünschter Amplitudenverteilung bereits nach der Wechselwirkung mit dem ersten Anzeigebereich 1111 erreicht werden, wobei die nachfolgenden Wechselwirkungen die entsprechenden Bearbeitungskonturen lediglich schärfen oder optimieren.
Für das Einbringen solcher Bearbeitungskonturen kann der Laserstrahl von einem Ultrakurzpulslaser zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise kann die Pulsdauer zwischen 300 fs und 10 ps liegen, beispielsweise bei 1 ps. Die maximale Fluenz zwischen 0,3 J/cm² und 30 J/cm², insbesondere zwischen 1 J/cm² und 5 J/cm², liegen. Der Fokusdurchmesser und somit das kleinste einbringbare Detail der Bearbeitungskontur, kann zwischen 5µm und 50µm, insbesondere 9µm, groß sein. Beispielsweise ist es somit nicht möglich das Schachbrettmuster aus 4D mit einer gleichmäßigen Rasterung kleiner als 9 µm herzustellen.
In 5A ist ein Verfahren zum Trennen eines Materials nach dem Stand der Technik gezeigt. Gezeigt ist das Einbringen von mehreren Fokuspunkten entlang einer Trennlinie, die die gewünschte Bearbeitungskontur 400 ergibt. Um mit der Vielzahl an aufgereihten Fokuspunkten das Material 300 entlang der Trennlinie zu schneiden, muss über einen relativen Vorschub die Vielzahl an Fokuspunkten entlang der Trennlinie verschoben werden. Da jeder Fokuspunkt einen Teil der Materialdicke abtragen kann, ist es notwendig, dass jeder Fokuspunkt jeden Punkt der Trennlinie überstreicht. Insbesondere bedeutet dies, dass ein Teil der Fokuspunkte über den Rand des Materials hinausgeführt wird, wobei die Werkstückaufnahme beschädigt werden kann (schematisch gezeigt durch den abnehmenden Schwarzwert der Trennlinien).
In 5B ist analog das hier vorgeschlagene Verfahren gezeigt, bei dem die Bearbeitungskontur 400 bei stationärem Laserstrahl gleichzeitig in das Material 300 eingebracht wird. Indem in jeden Punkt der Bearbeitungskontur 400 Laserenergie eingebracht wird, ist es möglich das Material 300 zu schneiden, ohne dass ein relativer Vorschub zwischen Laserstrahl 200 und Material 300 notwendig ist. Vielmehr ist es möglich, dass der Laserstrahl 200 während des eigentlichen Trennprozesses stationär gehalten bleibt, also insbesondere in der x- und y-Richtung keine Relativbewegung zwischen dem die Bearbeitungskontur tragenden Laserstrahl und dem zu bearbeitenden Material stattfindet.
Wenn die Laserpulse durch die vorgeschlagene Anordnung auf das Material 300 abgegeben werden, so teilt sich die Laserenergie gleichmäßig auf die entsprechende Bearbeitungskontur auf, wodurch ein gleichmäßiger Materialabtrag möglich ist. Insbesondere ist es möglich, mit diesem Verfahren alle Punkte beziehungsweise Gebiete der Bearbeitungskontur 400 gleichzeitig zu bearbeiten. Außerdem ist es möglich, dass das Material gemäß der Bearbeitungskontur gleichzeitig schichtweise abgetragen wird, also die Abtragstiefe entlang der Bearbeitungskontur 400 stets gleich groß ist.
Die gezeigten Bearbeitungskonturen können Abmessungen von 0,5x0,5 mm² bis hin zu 20x20 mm² aufweisen. Beispielsweise können die quadratischen Bearbeitungskonturen eine Größe von 5x5 mm² aufweisen. Auf diese Weise können beispielsweise Mikrochips jeweils mit einer Belichtung aus einem Silizium-Wafer herausgeschnitten werden.
In 6 ist eine auf ein Material 300 aufgebrachte Bearbeitungskontur 400 gezeigt, die teilweise eine geschwungene Form aufweist und bei der die lokale Polarisation 500 stets senkrecht zum Verlauf der Bearbeitungskontur 400 steht. Nachdem der Laserstrahl 200 mit den ersten beiden Anzeigebereichen des räumlichen Lichtmodulators in Wechselwirkung getreten ist und beispielsweise durch die λ/2-Platte 173 eine optimale Polarisation aufgeprägt bekommen hat, kann der dritte Anzeigebereich 1113 des weiteren räumlichen Lichtmodulators 110' die Polarisation 500 des Laserstrahls 200 lokal drehen. Insbesondere ist dies möglich, weil durch die λ/2-Ptatte 173 der gesamte Strahl eine wohldefinierte Polarisation aufweist, die so gedreht werden kann, dass die Polarisation des gesamten Strahls gemäß der Polarisationsbeeinflussungsstruktur des Anzeigebereichs 1113 drehbar wird.
Die lokal gedrehte Polarisation steht insbesondere überall senkrecht auf der Bearbeitungskontur 400. Beispielsweise ist die Polarisation 500 an der oberen und unteren Seite der Bearbeitungskontur 400 vertikal ausgerichtet ist, wohingegen die Polarisation 500 auf der linken Seite horizontal ausgerichtet ist. Die Polarisation auf der rechten Seite der Bearbeitungskontur 400 hat hingegen keine feste Ausrichtung, sondern variiert mit der Krümmung der Bearbeitungskontur 400.
7 zeigt einen Bearbeitungsprozess, bei dem aus einem Material 300 eine Teil mit der Form des Buchstaben „F“ herausgetrennt werden soll. In 7A wird zu diesem Zweck dem Laserstrahl 200 eine erste kontinuierliche Bearbeitungskontur 400 aufgeprägt, mit der das Material 300 entlang des oberen Teils der Gesamtkontur getrennt werden kann. In 7B wird dem Laserstrahl 200 eine kontinuierliche Bearbeitungskontur 400 aufgeprägt, mit der das Material 300 entlang des unteren Teils der Gesamtkontur getrennt werden kann, so dass danach das Material 300 entlang der Gesamtkontur getrennt ist. Sowohl die Bearbeitungskontur 400 der 7A als auch der 7B sind kontinuierlich. In 7C ist gezeigt, dass die kontinuierlichen Bearbeitungskonturen 400 der Figuren 7A, B auch zu einer kontinuierlichen Bearbeitungskontur 400 zusammengesetzt werden können, so dass das Material 300 in einem Schritt entlang der Endkontur getrennt werden kann.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

100: Anordnung
110: räumlicher Lichtmodulator
110': weiterer räumlicher Lichtmodulator
1111: erster Anzeigebereich
1112: zweiter Anzeigebereich
1113: dritter Anzeigebereich
130: Strahlführungsoptik
131: erster Spiegel
133: zweiter Spiegel
140: Auskoppeloptik
150: Diagnoseeinrichtung
160: Strahlformoptik
161: Polarisationstrenneinrichtung
1611: λ/2-Ptatte
1612: Dünnschichtpolarisator
162: λ/2-Ptatte
163: λ/4-Ptatte
170: Bearbeitungsoptik
171: Teleskop
172: Bearbeitungslinse
173: λ/4-Platte
174: vierter Spiegel
175: Linse
176: Linse
177: Umlenkspiegel
178: Umlenkspiegel
200: Laserstrahl
220: Laserstrahlquelle
300: Material
310: Bearbeitungsebene
400: Bearbeitungskontur
500: lokale Polarisation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2186596 A1 [0004]
DE 112013002095 T5 [0005]

Claims

Verfahren zum Bearbeiten eines zu bearbeitenden Materials (300) mittels eines Laserstrahls (200), insbesondere zum Schneiden von Silizium-Wafern, wobei der Laserstrahl (200) auf einen Lichtmodulator (110) zur Phasen- und/oder Amplitudenmodulation gelenkt wird, um dem Laserstrahl (200) eine Intensitätsverteilung aufzuprägen, welche einer kontinuierlichen Bearbeitungskontur (400) entspricht, und der Laserstrahl (200) zur Bearbeitung des Materials (300) mit der aufgeprägten Bearbeitungskontur (400) auf das Material (300) abgebildet wird und der Laserstrahl (200) zur Bearbeitung relativ zu dem zu bearbeitenden Material (300) stationär gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Material (300) entlang der Bearbeitungskontur (400) gleichzeitig abgetragen wird, bevorzugt schichtweise abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtmodulator (110) ein räumlicher Lichtmodulator ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungskontur (400) durch eine von einem ersten Anzeigenbereich (1111) des Lichtmodulators (110) ausgebildete erste Strahlbeeinflussungsstruktur und eine danach durchlaufene von einem zweiten Anzeigenbereich (1112) des Lichtmodulators (110) ausgebildete zweite Strahlbeeinflussungsstruktur hervorgerufen wird, wobei der erste Anzeigebereich (1111) und der zweite Anzeigenbereich (1112) den Laserstrahl (200) bevorzugt in Form einer lateralen Intensitäts- und/oder Phasen- und/oder Polarisationsverteilung beeinflussen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (200) vor der Abbildung auf das Material (300) auf einen weiteren Lichtmodulator (110') gelenkt wird, um die Polarisation der Bearbeitungskontur (400) lokal zu beeinflussen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungskontur (400) offen oder geschlossen ausgebildet wird, wobei eine geschlossene Bearbeitungskontur (400) bevorzugt kreisförmig oder rechteckig oder quadratisch ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine auszuschneidende Kontur in dem Material (300) vollständig durch die Bearbeitungskontur (400) abgebildet wird und das Ausschneiden der auszuschneidenden Kontur in dem Material (300) mit stationär gehaltenem Laserstrahl (200) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (200) von einem Ultrakurzpulslaser zur Verfügung gestellt wird, wobei - die Pulsdauer zwischen 300fs und 10ps, insbesondere bei 1ps, liegt, und/oder - die maximale Fluenz zwischen 0,3 J/cm² und 30 J/cm², insbesondere zwischen 1 J/cm² und 5 J/cm², liegt, und/oder - der Fokusdurchmesser und somit das kleinste einbringbare Detail der Bearbeitungskontur zwischen 5µm und 50µm, insbesondere 9µm, groß ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungskontur (400) zwischen 0,5×0,5mm² bis 10×20mm² oder 0,25mm² bis 200mm² groß ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (200) mehrfach, insbesondere doppelt, mit demselben räumlichen Lichtmodulator (110) in Wechselwirkung tritt, wobei der räumliche Lichtmodulator (110) gleichzeitig einen ersten Anzeigenbereich (1111) und einen zweiten Anzeigenbereich (1112) anzeigt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Phase, Polarisation und die Bearbeitungskontur (400) des Laserstrahls (200) durch eine Kombination von mindestens zwei Wellenplatten (162, 163, 173), insbesondere von einem λ/4-Ptättchen und einem λ/2-Ptättchen, eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungskontur (400) beim Durchgang durch einen Polarisator (1612), insbesondere einem Dünnschichtpolarisator, geschärft wird.
Verfahren nach einem vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abbilden des Laserstrahls (200) mit der aufgeprägten Bearbeitungskontur (400) die Polarisation des Laserstrahls (200) durch Wechselwirkung mit einem weiterem Lichtmodulator (110') lokal eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisation des Laserstrahls (200) mit der aufgeprägten Bearbeitungskontur (400) lokal immer senkrecht zur Bearbeitungskontur (400) steht.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Lichtmodulatoren (110, 110') aus einer Gruppe von Lichtmodulatoren, bestehend aus räumlichen Lichtmodulatoren, Nanogittern, Hybridelementen, leistungstauglichen Blenden und diffraktiven optischen Elementen, gewählt wird oder werden.