BR112016024485B1 - Dispositivo para projeção de máscara de feixes de laser de femtossegundos e picossegundos em uma superfície de substrato - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIVO PARA PROJEÇÃO DE MÁSCARA DE FEIXES DE LASER DE FEMTOSSEGUNDOS E PICOS-SEGUNDOS COM UMA LÂMINA, UMA MÁSCARA E SISTEMAS DE LENTES. Dispositivo para a projeção de máscara de feixes de laser de femtossegundos ou picossegundos (2) sobre uma superfície de substrato, no qual o feixe de laser (2) consistindo em pulsos de feixe de laser é, em uma localização do eixo óptico, formado para produzir pulsos de feixe de laser com uma seção transversal de feixe de laser expandida ou pulsos de feixe de laser com uma seção transversal de feixe de laser reduzida, o feixe de laser (2) apresentando uma distribuição de intensidade homogênea sobre a seção transversal de feixe de laser. Um diafragma (6) e uma mascara (7) com uma geometria de abertura de diafragma e mascara predeterminada respectivamente são posicionados em sucessão na trajetória do feixe (2) no local. O dispositivo contém um sistema de lentes de campo (8) e uma lente de imagem (10), posicionados de tal maneira que os componentes de feixe não difratados e difratados dos pulsos do feixe de laser (2) transmitidos pelo diafragma (6) e pela máscara (7) sejam dirigidos para a lente de imagem (10) com uma abertura predeterminada com o auxílio do sistema de lentes de campo (8), em que uma imagem reduzida, precisa em cada detalhe, do perfil de intensidade gerado pelo diafragma (6) e a pela máscara (7) seja gerada sobre a seção transversal de feixe de laser dos pulsos de feixe de laser no plano de imagem.
Description
[0001] A invenção refere-se a um dispositivo para a projeção de máscara de feixes de laser de femtossegundos e picossegundos.
[0002] Métodos e dispositivos para a projeção de máscara de fei xes de laser de excímero já são conhecidos e usados para a microes- truturação de superfícies de estado sólido e, em particular, para gerar microestruturas tridimensionais por meio de uma ablação de material estruturada de camada por camada com o auxílio de lasers de excíme- ro também (vide, entre outras coisas, Excimer laser technology, Ed. Dr. Dirk Basting, Lambda Physik AG Gottingen 2001, ISBN 3-00006395-1, and Weissmantel, S.; Reisse, G.; Haehnel, F.; Bertram, R.; Boettcher, R.; Production of microstructures in wide-band-gap and organic materials using pulsed laser ablation at 157 nm wavelength; Applied Physics A 101 (2010) 491.). Nestes métodos, o feixe de laser, que é emitido por um laser de excímero com um comprimento de onda de 157 nm, 193 nm, 248 nm, 308 nm ou 351 nm e que apresenta uma seção transversal virtualmente retangular, uma distribuição de intensidade não homogênea sobre a seção transversal de feixe de laser e um comprimento de coerência curto e que, portanto, não pode ser usado para fins de microestruturação sem a formação de feixe adicional, é formado por um homogeneizador, que decompõe o feixe de laser em um número predeterminado de feixes parciais e que preferivelmente sobrepõe estes de novo, e um elemento de lente de campo em um feixe de laser com uma seção transversal de feixe de laser quadrada predeterminada com uma distribuição de intensidade homogênea (per- fil de intensidade plano superior) no ponto homogêneo assim chamado na localização P na direção de propagação de feixe. Uma máscara com uma geometria predeterminada das regiões de máscara de transmissão é posicionada nesta localização P. Com o uso desta máscara, o perfil de intensidade sobre a seção transversal de feixe de laser exigido para a microestrutura a ser gerada, por exemplo, um perfil de intensidade em forma de retícula, é formado a partir da distribuição de intensidade homogênea do feixe de laser no ponto homogêneo e representado em imagem com uma relação de redução de imagem predeterminada sobre o substrato a ser estruturado por meio de óptica de focagem adequada para o comprimento de onda de laser de excí- mero. A forma geométrica da área de transmissão ou da abertura de um diafragma, que é disposto em uma pequena distância à montante ou à jusante da máscara ou preferivelmente disposto em contato com esta, gera, neste caso, a geometria de seção transversal (forma do contorno) do perfil de intensidade do feixe de laser formado pela máscara (vide, por exemplo, as publicações WO2010111798 e EP 2 336 823 A1). As dimensões de estrutura mínimas alcançáveis por meio do método de projeção de máscara de laser de excímero estão na região de alguns micrômetros.
[0003] A busca pelos inventores ainda não rendeu nenhum méto do ou dispositivo comparável adicional para a projeção de máscara de feixes de laser de femtossegundos e feixes de laser de picosegurndos. Os lasers de femtossegundo (lasers fs) e os lasers de picossegundo (lasers ps) emitem feixes de laser com comprimentos de onda centrais predominantemente na faixa de 775 nm a 1064 nm, com uma distribuição de intensidade substancialmente Gaussiana sobre a seção transversal de feixe de laser e com um comprimento de coerência substancialmente maior do que os lasers de excímero. Estes feixes de laser fs e ps são formados por meio de óptica de focagem comercialmente disponível para formar feixes com uma pequena seção transversal de foco e são, por exemplo, também usados para a microestruturação de superfícies de estado sólido. Neste método de focagem, a distribuição de intensidade sobre a seção transversal de foco do feixe de laser é, por conseguinte, igualmente Gaussiana e não homogênea; a intensidade na localização do raio Gaussiano é de apenas 1/e-vezes, isto é, 36,8%, o valor no centro do feixe e a intensidade na localização do raio de feixe é apenas de 1/e2-vezes, isto é, 13,5%, o valor no centro do feixe.
[0004] A fim de gerar uma distribuição de intensidade mais homo gênea sobre a seção transversal de foco de feixes de laser fs e ps, foram desenvolvidos homogeneizadores de feixe, os quais são dispostos entre a saída de laser e a óptica de focagem. Nos homogeneizadores de feixe anteriormente conhecidos para feixes de laser fs e ps (vide, por exemplo, A. Laskin und V. Laskin, πShaper - Refractive Beam Shaping Optics for Advanced Laser Technologies in Journal of Physics: Conference Series 276 (2011) 012171), parte da fluência é transportada da parte interna da seção transversal de feixe para a parte externa da seção transversal de feixe por meio de um sistema de lentes de refração de tal modo que uma distribuição de intensidade mais homogênea seja gerada sobre a seção transversal de feixe de laser à jusante do homogeneizador de feixe; contudo, até agora, foi apenas conseguido um perfil de intensidade plano superior sobre toda a seção transversal de feixe.
[0005] O raio focal do feixe de laser com a distribuição Gaussiana é uma função do comprimento de onda, do raio do feixe bruto emitido pelo laser e da distância focal, e não pode ser reduzido de modo arbitrário. A título de exemplo, em um aparelho de microestruturação de laser fs FS-150-10 da 3D-Micromac AG, Chemnitz, Germany, com um laser CPA 2010 laser da Clark Inc., USA, apresentando um compri- mento de onda central de 775 nm, energia de pulso de 1 mJ (1 milijou- le) e duração de pulso de 150 fs, o menor raio focal Gaussiano é de 5,7 μm com uma lente com um comprimento focal de 32 mm, apesar da expansão de feixe duplo, de um raio Gaussiano de 3 mm a 6 mm, e homogeneização.
[0006] Os raios focais alcançáveis de pelo menos alguns micrô- metros são grandes demais para uma multiplicidade de aplicações no campo de microestruturação e nanoestruturação; dimensões de estrutura de alguns micrômetros (pm) e menores não são alcançáveis. A título de exemplo, a nitidez da borda das microestruturas geradas por meio do método de focagem com dimensões de até várias dezenas de micrômetros é baixa demais, até mesmo no caso de uma sobreposição de pulsos do feixe de laser. Retículas de transmissão e reflexão opticamente efetivas com constantes de retícula de até um micrômetro ou menos para a faixa de comprimento de onda visível não podem ser produzidas, por exemplo, com o auxílio do método de focagem.
[0007] Como resultado da distribuição de intensidade Gaussiana sobre a seção transversal de feixe de laser, as profundidades de ablação sobre a seção transversal de foco e, portanto, sobre a largura de uma trilha estruturada, são substancialmente maiores no centro da trilha do que na borda da trilha. A título de exemplo, isto resulta em uma alta rugosidade de superfície, mesmo no caso de uma sobreposição de trilha, no caso da varredura de linha sinuosa do feixe de laser focado para gerar uma ablação de material planar. No caso de microestru- tura e no caso de separar pilhas de camadas que consistem em diversas subcamadas formadas de diferentes materiais com uma espessura de alguns nanômetros, esta distribuição de intensidade resulta, por exemplo, na ablação de camada incompleta nas bordas de trilha ou em danos do material de substrato no centro da trilha. No caso de as larguras de trilha serem maiores do que 10 micrômetros, esta desvantagem pode ser parcialmente retificada pelo uso de um homogeneiza- dor de feixe; contudo, larguras de trilha menores de até um micrômetro e menos e com uma profundidade de ablação uniforme não podem ser obtidas com o auxílio do método de focagem.
[0008] A geração de um perfil de intensidade estruturado prede terminado sobre a seção transversal de feixe de laser não é possível no método de focagem.
[0009] Com o uso da solução de acordo com a invenção, serão superadas as desvantagens dos métodos de focagem fs e ps anteriormente usados. Em particular, o que se pretende alcançar é uma distribuição de intensidade homogênea sobre toda a seção transversal de imagem na superfície de substrato (superfície da peça) a ser processada e, comparadas com as seções transversais de foco que podem ser ajustadas com o método de focagem, seções transversais de imagem substancialmente menores, por exemplo, uma área de seção transversal de imagem circular com um diâmetro de 1 μm ou uma área de seção transversal de imagem quadrada de 1 μm2 no caso de comprimentos de onda fundamentais de feixe de laser central preferivelmente na faixa de 775 nm a 1064 nm, ou seções transversais ainda menores, por exemplo, na faixa de alguns 100 nanômetros, quando do uso de duplicação de frequência (SHG) ou de triplicação de frequência (THG) ou quadruplicação de frequência (FHG) do feixe de laser.
[00010] No caso de uma energia de pulso suficientemente alta do laser fs e ps de pelo menos 1 mJ e no caso de uma possível área de seção transversal ajustável do ponto homogêneo, que resulta disso e que é também dependente da intensidade de feixe necessária para a estruturação e da relação de imagem, será adicionalmente também possível formar, a partir da distribuição de intensidade homogênea do feixe de laser, o perfil de intensidade sobre a seção transversal de feixe de laser que é necessária para gerar uma microestrutura predeterminada, por exemplo, um perfil de intensidade em forma de retícula, com o auxílio de uma máscara que é posicionada no ponto homogêneo e que apresenta uma geometria predeterminada das áreas de máscara de transmissão, e será possível representar em imagem o mesmo no substrato a ser estruturado por meio de óptica de focagem adequada com uma relação de redução de imagem predeterminada.
[00011] A solução de acordo com a invenção contém um dispositivo para a projeção de máscara de feixes de laser de femtossegundo e picossegundo sobre uma superfície de substrato, no qual o feixe de laser que consiste em pulsos de feixe de laser é, em uma localização do eixo óptico, formado para criar pulsos de feixe de laser com uma seção transversal de feixe de laser expandida ou pulsos de feixe de laser com uma seção transversal de feixe de laser reduzida, o dito feixe de laser apresentando uma distribuição de intensidade homogênea sobre a seção transversal de feixe de laser. Um diafragma com uma geometria de abertura de diafragma predeterminada e uma máscara com uma geometria de abertura de máscara predeterminada são posicionados em sucessão na trajetória do feixe no local. O dispositivo adicionalmente contém um sistema de lentes de campo e uma lente de imagem, que são posicionados de tal maneira que os componentes de feixe não difratados e difratados dos pulsos de feixe de laser transmitidos pelo diafragma e pela máscara sejam direcionados para a lente de imagem com uma abertura predeterminada com o auxílio do sistema de lentes de campo de tal modo que uma imagem reduzida, precisa em cada detalhe e apresentando uma relação de imagem predeterminada, do perfil de intensidade gerado pelo diafragma e pela máscara seja gerada sobre a seção transversal de feixe de laser dos pulsos de feixe de laser no plano de imagem. Em uma variante de orientação de feixe 1, um sistema de lentes adicionado, o sistema de lentes de campo e a lente de imagem são posicionados uns com relação aos outros de tal modo que um foco 1 seja gerado entre a lente de imagem e a superfície de substrato e, em uma variante de orientação de feixe 2, o sistema de lentes adicionado, o sistema de lentes de campo e a lente de imagem são posicionados uns com relação aos outros de tal forma que um foco 2 seja gerado entre o sistema de lentes de campo e a lente de imagem. Pelo menos uma cubeta de vácuo, que circunda a região do foco 1 e do foco 2, está presente.
[00012] Em uma concretização preferida adicional, um espelho de 90° de deflexão é disposto entre o sistema de lentes de campo e a lente de imagem.
[00013] Em uma concretização preferida adicional, está presente um meio para variar a distância entre o plano principal da lente de imagem e a superfície de substrato, com o auxílio do qual a posição predeterminada do plano de imagem, que é definida como uma distância da distância de imagem do plano principal da lente de imagem, é seletivamente colocada sobre, na ou abaixo da superfície de substrato em variando a distância entre o plano principal da lente de imagem e a superfície de substrato.
[00014] Em uma concretização preferida adicional, o meio para variar a distância entre o plano principal da lente de imagem e a superfície de substrato é o eixo z da tabela de coordenadas xyz, no qual o substrato é fixado.
[00015] Em uma concretização preferida adicional, o meio para variar a distância entre o plano principal da lente de imagem e a superfície de substrato são eixos lineares, com o auxílio dos quais o sistema de lentes de campo fixado nestes eixos lineares e a lente de imagem são dispostos de maneira deslocável por uma trajetória predetermina- do ao longo do eixo óptico.
[00016] Em uma concretização preferida, na variante de orientação de feixe 1, um bico de gás inerte de jato transversal é disposto entre pelo menos uma cubeta de vácuo e a superfície de substrato.
[00017] Em uma concretização preferida adicional, na variante de orientação de feixe 2, um sistema de bico de gás inerte é conectado entre a lente de imagem e a superfície de substrato.
[00018] Em um concretização preferida adicional, as aberturas dos componentes ópticos, que compreendem pelo menos o sistema de lentes de campo, a lente de imagem e pelo menos uma cubeta de vácuo, são selecionadas de modo a serem tão grandes que, da primeira para pelo menos a terceira ordem de difração, até mesmo os componentes de feixe de laser que foram difratados como resultado da geometria de abertura de máscara predeterminada da máscara são também representados em imagem na superfície de substrato.
[00019] Em uma concretização preferida adicional, o laser empregado é operado no modo rajada.
[00020] Em uma concretização preferida adicional, o dispositivo adicionalmente compreende um expansor de feixe ou um redutor de seção transversal de feixe, e um dispositivo, posicionado entre o laser e o expansor de feixe ou redutor de seção transversal de feixe, para gerar a segunda harmônica (duplicação de frequência, SHG) ou a terceira harmônica (triplicação de frequência, THG) ou a quarta harmônica (quadruplicação de frequência, FHG). Os pulsos de feixe de laser de femtossegundo ou os pulsos de feixe de laser de picossegundo passam respectivamente através do dispositivo para gerar a segunda harmônica (duplicação de frequência, SHG) ou a terceira harmônica (triplicação de frequência, THG) ou a quarta harmônica (quadruplica- ção de frequência, FHG) depois de saírem do laser e pelo menos o expansor de laser ou o redutor de seção transversal de feixe, o siste- ma de lentes adicionado, o diafragma, a máscara, o sistema de lentes de campo, a lente de imagem e pelo menos uma cubeta de vácuo apresentam um design adequado para a transmissão da radiação de fótons gerada com metade ou um terço ou um quarto do comprimento de onda fundamental.
[00021] A invenção será explicada em maiores detalhes abaixo com base nos desenhos esquemáticos.
[00022] A Figura 1 mostra a disposição esquemática dos componentes ópticos do sistema de orientação e formação de feixe para realizar o método de projeção de máscara de laser de femtossegundo e picossegundo (fspsMP).
[00023] A Figura 2 mostra a trajetória óptica calculada dos feixes de laser no sistema de orientação e formação de feixe de acordo com a Figura 1 para a variante de orientação de feixe 1 com os locais de foco entre o elemento de lente adicionado (16) e a máscara (7) e entre a lente (10) e o substrato (13).
[00024] A Figura 3 mostra a trajetória óptica calculada dos feixes de laser no sistema de orientação e formação de feixe de acordo com a Figura 1 para a variante de orientação de feixe 2 com os locais de foco entre o elemento de lente adicionado (16) e a máscara (7) e entre o sistema de lentes de campo (8) e a lente (10).
[00025] A Figura 4a esquematicamente mostra a seção transversal da cubeta de vácuo 1, que é disposta entre o elemento de lente adicionado (16) e a máscara (7), e da cubeta de vácuo similar 3, que é disposta entre o sistema de lentes de campo (8) e a lente (10).
[00026] A Figura 4b esquematicamente mostra a seção transversal da cubeta de vácuo 2, que é disposta entre a lente (10) e o substrato (13), com um bico de gás inerte de jato transversal conectado (21).
[00027] E a Figura 5 mostra, de maneira exemplificativa, a disposi- ção dos componentes ópticos de um sistema de projeção de máscara de laser de femtossegundo e picossegundo com quatro espelhos de deflexão para reduzir todas as dimensões do sistema.
[00028] De acordo com a Figura 1, é formado o feixe de laser pulsado (2) de um laser de femtossegundo ou picossegundo com uma distribuição de intensidade aproximadamente Gaussiana sobre a seção transversal de feixe de laser (IG), com o auxílio de pelo menos um expansor de feixe (3), depois de sua saída do laser (1) para um feixe de laser com ainda uma distribuição de intensidade aproximadamente Gaussiana, mas com uma seção transversal ampliada (IGA).
[00029] Logo após, o feixe de laser passa por um homogeneizador de feixe (4) e, opcionalmente, um elemento de lente adicionado ou um sistema de lentes adicionado (16) também, que, no ponto homogêneo na localização (P) no eixo óptico (5) do feixe de laser (eixo de feixe), geram uma distribuição de intensidade homogênea (IAH), referida como um perfil de intensidade plano superior, do feixe de laser.
[00030] A fim de gerar um perfil de intensidade estruturado predeterminado dos pulsos de feixe de laser sobre a seção transversal de feixe de laser, um diafragma (6) com uma geometria de abertura de diafragma predeterminada e uma máscara (7) com uma geometria de abertura de máscara predeterminada são posicionados em sucessão, seja com uma distância muito pequena de até alguns décimos de milímetro entre eles ou em contato direto entre si, na localização (P). Os componentes de feixe não difratados e difratados dos pulsos de feixe de laser transmitidos pelo diafragma (6) e pela máscara (7) posicionada no ponto homogêneo na localização (P) são representados em imagem no plano de imagem (11) com o auxílio de um elemento de lente adicionado ou de um sistema de lentes de campo (8) e, depois da reflexão, de pelo menos um espelho de 90° de deflexão (9), em uma lente (10). Uma imagem reduzida (14), precisa em cada detalhe e apresentando uma relação de imagem predeterminada (V = (aO / aS) : 1), do perfil de intensidade estruturado predeterminado sobre a seção transversal de feixe de laser, conforme gerado pelo diafragma e pela máscara, é gerada no plano de imagem (11), a posição predeterminada da qual, em uma distância da distância de imagem (b) do plano principal (35) da lente (10), é colocada seletivamente sobre (vide Figura 1), mas preferivelmente na ou abaixo da superfície de substrato (12) em variando a distância (s) entre o plano principal (35) da lente (10) e a superfície (12) do substrato (13).
[00031] A variação da distância (s) entre o plano principal (35) da lente de imagem (10) e a superfície de substrato (12) é preferivelmente implementada com o auxílio do eixo z da tabela de coordenadas xyz (32), no qual é posicionado o substrato (13). No caso de um substrato não deslocável, a variação da distância (s) pode ser também implementada com o auxílio dos eixos lineares (33, 34), nos quais o elemento de lente de campo ou o sistema de lentes de campo (8) e a lente (10) são fixados e os quais são, portanto, deslocáveis por uma trajetória predeterminada ao longo do eixo óptico (5) sem as propriedades de imagem do sistema óptico que muda.
[00032] O aumento na seção transversal do feixe de laser que pode ser implementado por meio do expansor de feixe (3), a seção transversal do feixe de laser no ponto homogêneo no plano da máscara (7) resultante deste aumento na seção transversal e na distância focal (comprimento focal) do elemento de lente adicionado ou do sistema de lentes adicionado (16) e a relação de imagem implementável V dependem da energia de pulso do feixe de laser e têm que ser associadas entre si de tal modo que a fluência do feixe de laser necessária para o processo de processamento de laser planejado seja obtida no plano de imagem (11). Um redutor de seção transversal de feixe terá que ser usado no lugar do expansor de feixe (3), se o feixe emitido pelo laser apresentar uma energia de pulso que é baixa demais de tal forma que a fluência seja pequena demais no plano da máscara (7) para obter a fluência necessária para o material de ablação no plano de imagem (11) no caso de uma relação de imagem predeterminada V. Isto pode, por exemplo, ser necessário no caso de duplicação de frequência (SHG) ou de triplicação de frequência (THG) ou de quadruplicação de frequência (FHG) do comprimento de onda fundamental do feixe de laser com o auxílio do dispositivo óptico (15); a título de exemplo, quando da duplicação da frequência do laser CPA 2010 da Clark Inc. com um comprimento de onda fundamental central de 775 nm, apenas aproximadamente 40% da energia de pulso original do feixe de laser com o comprimento de onda fundamental estão disponíveis e, se a frequência for triplicada, apenas aproximadamente 6-8%. A área de máscara utilizável seria então pequena demais, mas seria suficiente para gerar, com uma pequena abertura de diafragma ou abertura de máscara, isto é, com uma seção transversal de imagem muito pequena de, por exemplo, 1 μm2 e menos no substrato, furos muito finos e bordas de estrutura precisa e também, no caso de ablação de material estruturado camada por camada, microestruturas tridimensionais (estruturas 3D) muito pequenas.
[00033] Pode haver apenas uma imagem (14) do perfil de intensidade gerado pelo diafragma (6) e pela máscara (7) sobre a seção transversal de feixe de laser, cuja imagem é precisa em cada detalhe e reduzida em uma relação de imagem predeterminada (V), podendo, consequentemente, haver apenas a geração de microestruturas predeterminadas com o auxílio do método de projeção de máscara fs e ps, se os componentes de feixe de laser difratados nas regiões de máscaras de transmissão, por exemplo, em uma máscara de retícula de li- nha, também alcançarem o plano de imagem (11) e contribuírem para a formação de imagem pelo fato de a informação ser de outro modo perdida e a geometria de transmissão da máscara, e, consequentemente, o perfil de intensidade estrutura predeterminado do feixe de laser gerado pela máscara, serem apenas representados em imagem sem precisão no plano de imagem. Por isso, todos os componentes ópticos dispostos à jusante da máscara (7) têm que ter uma abertura suficientemente grande de modo que os componentes de feixe de laser difratados sejam também representados em imagem e possam também contribuir para a formação de imagem. Cálculos e experimentos de simulação mostraram que também tem haver a formação de imagem da primeira ordem de difração até pelo menos a terceira ordem de difração a fim de se obter uma imagem, precisa em cada detalhe, do perfil de intensidade da radiação laser, gerada pela máscara, no plano de imagem (11).
[00034] As altas densidades de fótons nos focos de feixe de laser de feixes de laser fs e ps resultam na geração de plasmas de ar intensos ou plasmas de gás inerte, usados na trajetória do feixe para proteger os componentes ópticos da contaminação, nas regiões focais do sistema de orientação e de formação de feixe (vide também as Figuras 2 e 3). Estes plasmas induzidos por laser causam uma absorção e uma dispersão dos componentes de feixe de laser com os seguintes efeitos: o plasma inflamado pelo foco intermediário (17) na trajetória do feixe do feixe de laser entre o homogeneizador de feixe (4) e a máscara (7) reduz a homogeneidade da distribuição de fluência do feixe de laser no plano da máscara (7), e o plasma inflamado pelo foco 1 (19) na distância focal (f) da lente (10) ou o plasma inflamado pelo foco 2 (22) entre o sistema de lentes de campo (8) e a lente 10 resultam em uma redução na qualidade da geometria de abertura de máscara representada em imagem, por exemplo, em uma redução na nitidez de bordas, no plano de imagem (11), não havendo assim nenhuma ablação de material homogênea no substrato (13) nas regiões predeterminadas pelas geometrias de abertura da máscara (7). Por isso, estes plasmas influenciam a qualidade óptica dos componentes de feixe de laser subsequentes, em particular, em altas frequências de repetição de pulso (taxas de repetição) do laser, e produzem uma redução na precisão dos detalhes da imagem e, portanto, também das microestru- turas geradas.
[00035] A fim de impedir a ocorrência destes plasmas, cubetas de vácuo (18, 20, 23) são inseridas na trajetória do feixe na região dos focos (17, 19, 22). Estas cubetas circundam a região focal, compreendem duas janelas (25), que são revestidas com sistemas de transmissão de camada de interferência, ou uma janela (25) e uma abertura microscópica (26), para a transmissão virtualmente sem perdas da radiação laser, são evacuadas em pelo menos um pré-vácuo e têm que ser incluídas no cálculo de todo o sistema óptico. Alternativamente, todo o sistema óptico, que começa na saída do laser (1) e que alcança a lente de imagem (1) pode ser também posicionado em uma câmara de vácuo.
[00036] Um modo de operação especial, anteriormente desenvolvido para tipos de laser ps selecionados, é o "modo rajada". Em contraste à operação de pulso individual de um laser ps com uma taxa de repetição predeterminada, não são os pulsos de feixe de laser ps que são gerados no "modo rajada", mas sim as rajadas de feixe de laser ps com espaçamentos temporais de pulso para pulso dos pulsos individuais no trem ("rajada") na região de diversos dez nanosegundos, tipicamente 20 ns, e com espaçamentos temporais de rajada para rajada na região de 10-3 a 10-7 segundos, tipicamente 10 μs, isto é, com uma frequência de repetição de rajadas (taxa de repetição do laser) de 1 kHz a 10 MKs. A máxima taxa de repetição possível do laser ps no "modo rajada" depende do número de pulsos individuais na rajada, sendo, portanto, limitado. A duração de pulso dos pulsos individuais do laser ps e as durações de pulso dos pulsos no "modo rajada" são iguais. Um trem de pulsos ("rajada") pode, de maneira ajustável, consistir em 20 pulsos ps individuais. Aqui, a energia de pulso dos pulsos individuais na rajada pode ser exponencialmente reduzida de acordo com uma função típica para o instrumento de laser no caso de o mesmo espaçamento de pulso para pulso dos pulsos individuais na rajada (por exemplo, rajada do laser ps "Lumera Hyperrapid" da "Lumera Laser GmbH") ou o perfil da energia de pulso dos pulsos individuais na rajada poderem ser predeterminados de tal modo que uma energia de pulso inalterada dos pulsos na rajada ou uma redução ou um aumento na energia de pulso dos pulsos na rajada ou ainda inicialmente uma redução e então novamente um aumento na energia de pulso dos pulsos na rajada sejam possíveis; além disso, também é possível suprimir um pulso ou uma pluralidade de pulsos na rajada (por exemplo, nos tipos de laser "FlexBurst™-Mode" no "Time-Bandwidth Duetto™" e "Time'Bandwidth Fuego™" da Time-Bandwidth Products"). A duplicação de frequência ou a triplicação de frequência (SHG ou THG) da radiação laser são também possíveis na operação do "modo rajada" do laser ps. Comparado ao processamento de laser ps com pulsos individuais, o processamento de "modo rajada" apresenta as seguintes vantagens:
[00037] - taxas de ablação mais altas quando da estruturação de peças metálicas comparadas à irradiação de pulso com o uso de pulsos individuais com a mesma energia como a energia total de rajada, isto é, no caso onde as fluências dos pulsos individuais e as rajadas são iguais, e, no caso da mesma distância de pulso para pulso (grau de sobreposição) dos pulsos individuais e das rajadas, isto é, no caso da mesma taxa de repetição dos pulsos individuais e da taxa de repe- tição de rajadas:
[00038] - melhor qualidade, em particular, uma menor rugosidade de superfície, das formas de estrutura geradas em peças metálicas comparada à irradiação de pulso ps com pulsos individuais, no caso do mesmo grau de sobreposição, até mesmo no caso de fluências mais altas da "rajada".
[00039] A geração do "modo rajada" de pulsos de feixe de laser de femtossegundo está atualmente ainda no estágio de pesquisa básica (por exemplo, Hernandez-Rueda1, J. Siegel, D. Puerto2, M. Galvan- Sosa, W. Gawelda3, and J. Solis: Ad-hoc design of temporally shaped fs laser pulses based on plasma dynamics for deep ablation in fused silica, Appl.Phys. A (2013) 112).
[00040] Na variante de orientação de feixe 1 de acordo com a Figura 2, é feito uso de um elemento de lente adicionado (16), um sistema de lentes de campo (8), por exemplo, consistindo em dois elementos de lente, e uma lente (10), por exemplo, consistindo em dois elementos de lente. A Figura 2 representa apenas os planos principais dos elementos de lente. O foco intermediário (17) da trajetória do feixe é situado entre o elemento de lente adicionado (16) e a combinação de diafragma/máscara (6, 7). O foco 1 (19) do sistema óptico de imagem que consiste no sistema de lentes de campo (8) e na lente (10) é situ-ado entre a lente (10) e a superfície de substrato (12); o plano de imagem (11) é situado na superfície de substrato (12). A região colorida (2a) ilustra a propagação dos componentes de feixe de laser difratados da primeira à quinta ordem de difração de um feixe de laser fs com um comprimento de onda central de 775 nm, cujos componentes emanam, por exemplo, do centro de uma máscara de retícula de linha (7) com um período de retícula de 200 μm para gerar um perfil de intensidade de feixe de acordo com (14) na Figura 1, mas com um maior número de fendas (não representado na Figura 1) para transmitir e difratar a radiação. A cubeta de vácuo 1 (18) circunda o foco intermediário (17) e a cubeta de vácuo 2 (20) circunda o foco 1 (19). O plano de imagem (11) é situado na superfície de substrato (12). Os retângulos representados pelas linhas pontilhadas indicam espelhos de 90° de deflexão adicionais (29, 30, 31), que podem ser usados para dobrar a trajetória do feixe e aumentar a compacidade de todo o sistema de orientação e formação de feixe (vide Figura 5). Contudo, se um espaço suficientemente longo estiver disponível, todo o sistema óptico poderá ser também implementado sem os espelhos de deflexão (9, 39, 30, 31).
[00041] A cubeta de vácuo 1 (18) esquematicamente representada na Figura 4a consiste em duas janelas circulares paralelas planas in- tercambiáveis (25) formadas de um material transparente ao comprimento de onda de laser, e um espaçador cilíndrico oco (27), que compreende um flange (28) para conectar uma bomba de vácuo. As janelas são fixadas no espaçador de maneira estanque a vácuo. A cubeta de vácuo 1 (18) é posicionada de tal modo que o foco de feixe de laser (17) fique situado no centro da mesma. A fim de manter a exposição de feixe das janelas (25), que são revestidas em ambos os lados com um sistema de camada de interferência que transmite o comprimento de onda de laser, tão baixo quanto possível, a distância entre as superfícies internas da janela é pelo menos de 100 mm paralela ao eixo óptico.
[00042] A cubeta de vácuo 2 (20) esquematicamente representada na Figura 4b apresenta apenas uma janela de transmissão (25) para transmitir a radiação de laser proveniente da lente; o diâmetro da superfície da janela de transmissão tem que ser selecionado para ser tão grande que a propagação de pelo menos a primeira à terceira ordem de difração dos componentes de feixe de laser difratados (2a) (vide Figura 2) seja também possível sem impedimento.
[00043] Um disco com uma abertura microscópica (26) para a transmissão da radiação de laser é inserido no lugar da janela para a saída da radiação laser depois do foco na direção da superfície de substrato (12); isto se deve ao fato de a intensidade da radiação laser nesta região poder ficar acima do limite de destruição do material de janela. A seção transversal da abertura microscópica (26) é apenas ligeiramente maior do que a seção transversal de feixe de laser total nesta localização e, em particular, para as aplicações planejadas nos campos de microestruturação e nanoestruturação, ela está na faixa de um a diversos dez micrômetros quadrados. O vácuo necessário para impedir um plasma na região do foco (19) é alcançado com o auxílio de uma bomba de vário com uma potência de sucção suficientemente alta. Um bico de gás inerte de jato transversal (21) que gerar um fluxo de gás transversal entre a cubeta de vácuo (20) e o substrato (13) é conectado para impedir que a janela (25) da cubeta de vácuo 2 (20) seja ocupada pelo material que passou por ablação proveniente do substrato (13).
[00044] A variante de orientação de feixe 1 é preferivelmente adequada para realizar seções transversais de imagem muito pequenas para gerar estruturas com dimensões detalhadas na faixa de micrôme- tros e nanômetros de modo que nenhum componente óptico adicional, os erros de aberração dos quais (e, aberrações dos elementos de lente) poderiam ter uma influência negativa sobre a precisão detalhada da imagem, esteja presente depois do foco 1.
[00045] Na variante de orientação de feixe 2 de acordo com a Figura 3, é igualmente feito uso de um elemento de lente adicionado (16), de um sistema de lentes de campo (8) consistindo em dois elementos de lente, e de uma lente (1), por exemplo, consistindo em dois elementos de lente. A Figura 3 apenas representa os planos principais dos elementos de lente. O foco intermediário (17) da trajetória do feixe é novamente situado entre o elemento de lente adicionado (16) e a combinação de diafragma/máscara (6, 7). O foco 2 (22) do sistema óptico de imagem que consiste no sistema de lentes de campo (8) e na lente (10) é situado entre o sistema de lentes de campo (8) e a lente (10) nesta variante de orientação de feixe 2, de tal modo que a cu- beta de vácuo (23) com duas janelas de transmissão para a radiação laser possa ser usada para impedir um plasma na região do foco 2 (22) (vide Figura 4a); o diâmetro das superfícies da janela de transmissão tem que ser selecionado de modo a ser tão grande que a pro-pagação de pelo menos a primeira para a terceira ordem de difração dos componentes de feixe de laser difratados (2a) (vide Figura 3) seja também possível sem impedimento. O plano de imagem (11) é situado na superfície de substrato (12). Um sistema de bico de gás inerte (24) que gera um fluxo de gás entre a lente (10) e o substrato (13) é conectado para impedir que a lente (10) seja ocupada pelo material que passou por ablação proveniente do substrato (13).
[00046] Os retângulos representados por linhas pontilhadas indicam espelhos de 90° de deflexão (29, 30, 31), que podem ser usados para dobrar a trajetória do feixe e aumentar a compacidade de todo o sistema de orientação e formação de feixe (vide Figura 5).
[00047] Entretanto, se um espaço suficientemente longo estiver disponível, todo o sistema óptico poderá ser também implementado sem os espelhos de deflexão (9, 29, 30, 31).
[00048] A variante de orientação de feixe 2 é preferivelmente adequada para realizar seções transversais de imagem relativamente grandes na faixa de mais de diversos 10 μm2 a 1 mm2.
[00049] A Figura 5 representa um sistema de projeção de máscara de laser fs para realizar a variante de guia de feixe 2 (vide Figura 3). As cabeças de seta com os valores medidos especificam as distâncias entre os componentes ópticos em milímetros. É feito uso de espelhos de 90° de deflexão (29, 30, 31, 9) a fim de obter uma configuração compacta do sistema e a fim de permitir uma integração dos mesmos em um aparelho de microestrutura de laser fs FS-150-10 da "eD- Mifromac AG", que é projetado para a microestruturação por meio do método de foco de laser f. Um laser tipo Clark MXR CPA 2010 é usado como um laser de femtossegundo neste aparelho; o dito laser apresenta os seguintes parâmetros: comprimento de onda central de 775 nm, duração de pulso de 150 fs, energia de pulso de 1 mJ, frequência de repetição de pulso de 1 kHz, diâmetro de feixe na saída de laser de 3 mm, distribuição de intensidade Gaussiana sobre a seção transversal de feixe de laser. O diâmetro de feixe é aumentado para RS = 6 mm com o auxílio do expansor de feixe (3) e uma distribuição de intensidade plana superior com uma fluência de pulso de feixe de laser de mJ/cm2 no ponto homogêneo na localização P é formada por meio do homogeneizador (4) e do elemento de lente adicionado (16). Aqui, o perfil de intensidade do pulso de feixe de laser é formado no ponto homogêneo na localização P, no qual a máscara (7) é posicionada, com o auxílio da máscara (6), que apresenta uma abertura quadrada com comprimentos de borda aO = 3,54 mm.
[00050] Com o auxílio do sistema de lentes de campo (8) e da lente de imagem (10), que apresenta um comprimento focal de 10 mm, uma imagem reduzida (14) de seção transversal de feixe de laser gerada pelo diafragma (6) e do perfil de intensidade de feixe de laser formada pela máscara (7), com uma relação de imagem de V = 11:1 e com uma fluência de pulso de feixe de laser de 280 mJ/cm2, é gerada na distân- cia de imagem b = 110 mm no plano de imagem (11).
[00051] Como resultado do uso do método de projeção de máscara fs e ps, é possível gerar microestruturas com dimensões detalhadas na faixa de submicrômetros. A título de exemplo, estas incluem retícu- la de difração óptica para a faixa de comprimento de onda visível com períodos de reticula de 1 μm e menos. As microestruturas tridimensionais preferivelmente geradas pela ablação estruturada de camada por camada apresentam uma alta nitidez de borda, uma alta inclinação de parede e uma baixa rugosidade de parede e base. Como resultado da baixa carga de onda térmica e de choque nas regiões de substrato não estruturadas adjacentes, modificações e fragmentações de material nas bordas da estrutura serão grandemente impedidas, quando da estruturação de materiais frágeis. No caso de uma energia de pulso suficientemente alta dos lasers empregados e do possível tamanho da seção transversal do ponto homogêneo e, portanto, também da máscara resultante disso, o processamento de múltiplos feixes na micro- faixa, por exemplo, a geração paralela de estruturas em forma de depressão e em forma de tronco ou a estruturação ou separação paralela de pilhas de camadas finas, pode ser executado por meio dos feixes parciais gerados, portanto, no caso da mesma geometria predeterminada das aberturas de máscara de transmissão e de sua distância mútua.
Claims (10)
1. Dispositivo para a projeção de máscara de feixes de laser de femtossegundo ou picossegundo em uma superfície de substrato, compreendendo uma fonte de laser de femtossegundo ou picosse- gundo (1) produzindo um feixe de laser (2), o dispositivo configurado para que o feixe de laser (2) que consiste em pulsos de feixe de laser ser, em uma localização (P) do eixo óptico (5), formado para criar pulsos de feixe de laser com uma seção transversal de feixe de laser expandida ou pulsos de feixe de laser com uma seção transversal de feixe de laser reduzida e de dito feixe de laser apresentar uma distribuição de intensidade homogênea sobre a seção transversal de feixe de laser, um diafragma (6) com uma geometria de abertura de diafragma predeterminada e uma máscara (7) com uma geometria de apertura de máscara predeterminada serem posicionados em sucessão na trajetória do feixe na localização (P), e o dispositivo adicionalmente contém um sistema de lentes de campo (8) e uma lente de imagem (10), que são posicionados de tal modo que os componentes de feixe não difratados e difratados dos pulsos de feixe de laser transmitidos pelo diafragma (6) e pela máscara (7) sejam direcionados para a lente de imagem (10) com uma abertura predeterminada com o auxílio do sistema de lentes de campo (8) de tal maneira que uma imagem reduzida (14), precisa em cada detalhe e apresentando uma relação de imagem predeterminada (V), do perfil de intensidade gerado pelo diafragma e pela máscara seja gerada sobre a seção transversal de feixe de laser dos pulsos de feixe de laser no plano de imagem (11), o dispositivo caracterizado pelo fato de que, em uma variante de orientação de feixe 1, um sistema de lentes adicionado (16), o sistema de lentes de campo (8) e a lente de imagem serem posicionados entre si de tal modo que um foco 1 (19) seja gerado entre a lente de imagem (10) e a superfície de substrato (12) e de, em uma variante de orientação de feixe 2, o sistema de lentes adicionado (16), o sistema de lentes de campo (8) e a lente de imagem serem posicionados entre si de tal modo que um foco 2 (22) seja gerado entre o sistema de lentes de campo (8) e a lente de imagem (10), e de pelo menos uma cubeta de vácuo, que circunda a região do foco 1 (19) ou do foco 2 (22) dependendo da variante e adicionalmente configurada de tal modo que apresente um vácuo, conforme necessário para impedir um plasma na região do foco, estar presente.
2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de um espelho de 90° de deflexão (9) ser disposto entre o sistema de lentes de campo (8) e a lente de imagem (10).
3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, carac-terizado pelo fato de um meio para variar a distância (s) entre o plano principal (35) da lente de imagem (10) e a superfície de substrato (12) estar presente, com o auxílio do qual a posição predeterminada do plano de imagem (11), que é definida como uma distância da distância de imagem (b) do plano principal (35) da lente de imagem (10), é seletivamente colocada sobre, na ou abaixo da superfície de substrato (12) em variando a distância (s) entre o plano principal da lente de imagem e a superfície de substrato (12).
4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de o meio para variar a distância (s) entre o plano principal (35) da lente de imagem (10) e a superfície de substrato (12) ser o ei- xo z na tabela de coordenadas xyz (32), no qual é fixado o substrato (13).
5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de o meio para variar a distância (s) entre o plano principal (35) da lente de imagem (10) e a superfície de substrato (12) ser os eixos lineares (33, 34), com o auxílio dos quais o sistema de lentes de campo (8) fixado nestes eixos lineares e a lente de imagem (1) são dispostos de maneira deslocável por uma trajetória predeterminado ao longo do eixo óptico (5).
6. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de, na variante de orientação de feixe 1, um bico de gás inerte de jato transversal (21) ser disposto entre pelo menos uma cubeta de vácuo (20) e a superfície de substrato (12).
7. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de, na variante de orientação de feixe 2, um sistema de bico de gás inerte (24) ser conectado entre a lente de imagem (10) e a superfície de substrato (12).
8. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de as aberturas dos componentes ópticos, que compreendem pelo menos o sistema de lentes de campo (8), a lente de imagem (10) e pelo menos uma cubeta de vácuo, serem selecionadas para serem tão grandes que, da primeira para pelo menos a terceira ordem de di- fração, até mesmo os componentes de feixe de laser que foram difra- tados como resultado da geometria de abertura de máscara predeterminada da máscara (7) sejam também representados em imagem na superfície de substrato.
9. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de o laser empregado (1) é operado no "modo rajada".
10. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, adicionalmente compreendendo um expansor de feixe (3) ou um redutor de seção transversal de feixe (3); e um dispositivo (15), posicionado entre o laser (1) e o ex- pansor de laser (3) ou o redutor de seção transversal de feixe (3), para gerar a segunda harmônica (duplicação de frequência, SHG) ou a terceira harmônica (triplicação de frequência, THC) ou a quarta harmônica (quadruplicação de frequência, FHG), caracterizado pelo fato de os pulsos de feixe de laser de femtossegundo ou os pulsos de feixe de laser de picossegundo respectivamente passarem através do dispositivo (15) para gerar a segunda harmônica (duplicação de frequência, SHG) ou a terceira frequência (triplicação de frequência, THG) ou a quarta harmônica (quadruplicação de frequência, FHG) depois de saírem do laser (1) e pelo menos o expansor de feixe (3) ou o redutor de seção transversal de feixe (3), o sistema de lentes adicionado (16), o diafragma (6), a máscara (7), o sistema de lentes de campo (8), a lente de imagem (10) e pelo menos uma cubeta de vácuo apresentarem um design adequado para a transmissão da radiação de fótons gerada com metade ou um terço ou um quarto do comprimento de onda fundamental.
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| B06U | Preliminary requirement: requests with searches performed by other patent offices: procedure suspended [chapter 6.21 patent gazette] | ||
| B350 | Update of information on the portal [chapter 15.35 patent gazette] | ||
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