CN106457467A - 具有叶片、掩模和透镜系统的用于飞秒和皮秒激光束的掩模投射的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将飞秒或皮秒激光束(2)掩模投射到衬底表面上的设备，其中由激光束脉冲组成的激光束(2)在光轴的位置处形成以产生具有扩展的激光束横截面的激光束脉冲或具有减小的激光束横截面的激光束脉冲，并且所述激光束(2)在激光束横截面上具有均匀强度分布。具有预定光阑孔径几何形状的光阑(6)和具有预定掩模孔径几何形状的掩模(7)连续地定位在该位置处的光束(2)路径中。该设备还包括场透镜系统(8)和成像透镜(10)，其以这样的方式定位，使得由光阑(6)和掩模(7)透射的激光束(2)脉冲的非衍射和衍射光束分量借助于场透镜系统(8)以这样的方式被引导到具有预定孔径的成像透镜(10)中，使得由光阑(6)和掩模(7)生成的强度剖面的在每个细节上精确并且具有预定成像比的缩小图像在成像平面中的激光束脉冲的激光束横截面上生成。在光束引导变型1中，加入的透镜系统(16)、场透镜系统(8)和成像透镜(10)以这样的方式相对于彼此定位，使得在成像透镜(10)和衬底表面之间生成焦点(19)，并且在光束引导变型2中，加入的透镜系统(16)、场透镜系统(8)和成像透镜(10)以这样的方式相对于彼此定位，使得在场透镜系统(8)和成像透镜(10)之间生成焦点(22)。存在围绕焦点(19)和焦点(22)的区域的至少一个真空容器。

Description

具有叶片、掩模和透镜系统的用于飞秒和皮秒激光束的掩模 投射的设备
技术领域
本发明涉及一种用于飞秒和皮秒激光束的掩模投射的设备。
背景技术
用于准分子激光束的掩模投射的方法和设备是已知的并且用于固态表面的微结构化，并且特别是也用于通过借助于准分子激光器进行结构化、逐层材料烧蚀来生成三维微结构(尤其参见Excimer laser technology，Ed.Dr.Dirk Basting，Lambda Physik AG2001，ISBN 3-00-006395-1，以及Weissmantel,S.；Reisse,G.；Haehnel,F.；Bertram,R.；Boettcher,R.；Production of microstructures in wide-band-gap andorganic materials using pulsed laser ablation at 157nm wavelength；AppliedPhysics A 101(2010)491.)。在这些方法中，激光束由波长为157nm，193nm，248nm，308nm或351nm的准分子激光器发射，并且具有实质上矩形的横截面、在激光束横截面上的不均匀强度分布和短相干长度，并且因此在没有进一步的束成形的情况下不能用于微结构化的目的，所述激光束通过均化器形成，所述均化器将激光束分解成预定数量的部分光束，并且优选地再次重叠这些部分光束，并且通过场透镜元件形成具有预定方形激光束横截面的激光束，在光束传播方向上的位置P处的所谓均匀光点处具有均匀强度分布(顶部平坦强度剖面)。具有透射掩模区域的预定几何形状的掩模位于该位置P处。通过使用该掩模，在待生成的微结构所需的激光束横截面上的强度剖面(例如，格栅状强度剖面)由在均匀光点处的激光束的均匀强度分布形成，并且在将通过适合于准分子激光波长的聚焦光学器件结构化的衬底上以预定的缩小成像比成像。透射区域或布置在掩模的上游或下游的小距离处或者优选布置成与掩模接触的光阑的孔径的几何形状在该情况下生成由掩模形成的激光束的强度分布的横截面几何形状(轮廓形状)(参见例如WO2010111798和EP 2 336 823 A1的公开文本)。借助于准分子激光掩模投射方法可获得的最小结构尺寸位于几微米的区域中。
发明人的研究没有产生用于飞秒激光束和皮秒激光束的掩模投射的任何进一步可比较的方法和设备。飞秒激光器(fs激光器)和皮秒激光器(ps激光器)发射中心波长主要在775nm至1064nm范围内的激光束，在激光束横截面上具有基本上高斯强度分布，并且具有比准分子激光器明显更大的相干长度。这些fs和ps激光束借助于商业上可获得的聚焦光学器件形成以使光束具有小焦点横截面，并且例如也用于固态表面的微结构化。在该聚焦方法中，激光束的焦点横截面上的强度分布因此类似地是高斯而不是均匀的；高斯半径的位置处的强度仅为光束中心处的值的1/e倍，即36.8％，并且光束半径的位置处的强度仅为光束中心的值的1/e2倍，即13.5％。
为了在fs和ps激光束的焦点横截面上生成更均匀的强度分布，已开发布置在激光输出和聚焦光学器件之间的光束均化器。在先前已知的用于fs和ps激光束的光束均化器中(参见例如A.Laskin和V.Laskin，πShaper-Refractive Beam Shaping Optics forAdvanced Laser Technologies in Journal of Physics：Conference Series 276(2011)012171)，注量的一部分借助于折射透镜系统从光束横截面的内部部分传送到光束横截面的外部部分，使得在光束均化器下游的激光束横截面上生成更均匀的强度分布；然而，大致到目前为止仅实现在整个光束横截面上的平坦顶部强度剖面。
具有高斯分布的激光束的焦点半径是波长、由激光器发射的原始光束的半径和焦距的函数，并且不能任意地减小。作为例子，在由德国Chemnitz的3D-Micromac AG生产的FS-150-10fs激光微结构化装置中，其具有由美国Clark Inc.生产的CPA 2010激光器，该激光器具有775nm的中心波长，1mJ(1毫焦耳)脉冲能量和150fs脉冲持续时间，最小高斯焦点半径为5.7μm，具有32mm焦距的透镜，尽管有两倍的光束扩展，从3mm高斯半径到6mm，以及均匀化。
已知的fs和ps聚焦方法的缺点
至少几微米的可获得的焦点半径对于微结构化和纳米结构化领域中的多种应用来说太大；不能获得几微米(μm)和更小的结构尺寸。作为例子，借助于聚焦方法生成的具有高达几十微米的尺寸的微结构的边缘锐度太低，即使在激光束的脉冲重叠的情况下也是如此。例如借助于聚焦方法，不能产生具有对于可见波长范围高达一微米和更小的光栅常数的光学有效透射和反射光栅。
作为激光束横截面上的高斯强度分布的结果，在焦点横截面上并且因此在结构化轨道的宽度上的烧蚀深度在轨道中心中比在轨道边缘处明显更大。作为例子，在用于生成平面材料烧蚀的聚焦激光束的曲折线扫描的情况下，这导致高表面粗糙度，甚至在轨道重叠的情况下。在微结构化的情况下和在分离由具有几纳米厚度的不同材料制成的几个子层组成的层堆叠的情况下，该强度分布例如导致轨道边缘处的不完全层烧蚀或者导致轨道中心处的衬底材料的损坏。在轨道宽度大于10微米的情况下，该缺点可以通过使用光束均化器来部分地矫正；然而，借助于聚焦方法不能获得高达一微米和更小并且具有均匀烧蚀深度的更小的轨道宽度。
在聚焦方法中不能在激光束横截面上生成预定的结构化强度剖面。
发明内容
使用根据本发明的解决方案，将该克服先前使用的fs和ps聚焦方法的缺点。特别地，期望实现的是在待加工的衬底表面(工件表面)上的整个成像横截面上的均匀强度分布，和与可以使用聚焦方法设置的焦点横截面相比，明显更小的成像横截面，例如在优选在775nm至1064nm的范围内的中心激光束基波波长的情况下具有1μm的直径的圆形成像横截面区域或1μm2方形成像横截面区域，或者更加小的横截面，例如当使用激光束的倍频(SHG)或三倍频(THG)或四倍频(FHG)时，在几百纳米的范围内。
在至少1mJ的fs和ps激光器的足够高的脉冲能量的情况下和在由此产生并且也取决于结构化所需的光束强度和成像比的均匀光点的可能可调节横截面区域的情况下，另外也应当能够借助于位于均匀光点中并且具有透射掩模区域的预定几何形状的掩模，从激光束的均匀强度分布形成用于生成预定微结构所需的激光束横截面上的强度剖面，例如光栅形状的强度剖面，并且应当能够借助于合适的聚焦光学器件以预定缩小成像比在待结构化的衬底上对其进行成像。
根据本发明的解决方案包含一种用于将飞秒和皮秒激光束掩模投射到衬底表面上的设备，其中由激光束脉冲组成的激光束在光轴的位置处形成以产生具有扩展的激光束横截面的激光束脉冲或具有减小的激光束横截面的激光束脉冲，并且所述激光束在激光束横截面上具有均匀强度分布。具有预定光阑孔径几何形状的光阑和具有预定掩模孔径几何形状的掩模连续地定位在该位置处的光束路径中。该设备还包括场透镜系统和成像透镜，其以这样的方式定位，使得由光阑和掩模透射的激光束脉冲的非衍射和衍射光束分量借助于场透镜系统以这样的方式被引导到具有预定孔径的成像透镜中，使得由光阑和掩模生成的强度剖面的在每个细节上精确并且具有预定成像比的缩小图像在成像平面中的激光束脉冲的激光束横截面上生成。在光束引导变型1中，加入的透镜系统、场透镜系统和成像透镜以这样的方式相对于彼此定位，使得在成像透镜和衬底表面之间生成焦点1，并且在光束引导变型2中，加入的透镜系统、场透镜系统和成像透镜以这样的方式相对于彼此定位，使得在场透镜系统和成像透镜之间生成焦点2。存在围绕焦点1和焦点2的区域的至少一个真空容器。
在另一优选实施例中，在场透镜系统和成像透镜之间布置90°偏转镜。
在另一优选实施例中，存在用于改变成像透镜的主平面与衬底表面之间的距离的装置，借助于所述用于改变成像透镜的主平面与衬底表面之间的距离的装置，通过改变成像透镜的主平面与衬底表面之间的距离，成像平面的预定位置选择性地置于衬底表面的上方、上面或下方，其中预定位置被限定为离成像透镜的主平面的图像距离的距离。
在另一优选实施例中，用于改变成像透镜的主平面与衬底表面之间的距离的装置是衬底被紧固到的xyz坐标台的z轴。
在另一优选实施例中，用于改变成像透镜的主平面与衬底表面之间的距离的装置是线性轴，借助于所述线性轴，紧固到这些线性轴的场透镜系统和成像透镜以沿着光轴能够以预定路径移位的方式布置。
在另一优选实施例中，在光束引导变型1中，横向喷射惰性气体喷嘴布置在至少一个真空容器和衬底表面之间。
在另一优选实施例中，在光束引导变型2中，惰性气体喷嘴系统附连在成像透镜和衬底表面之间。
在另一优选实施例中，至少包括场透镜系统、成像透镜和至少一个真空容器的光学部件的孔径被选择为大到使得从一阶到至少三阶衍射，甚至由于掩模的预定掩模孔径几何形状被衍射的激光束分量也在衬底表面上成像。
在另一优选实施例中，使用的激光器在脉冲串模式中操作。
在另一优选实施例中，所述设备还包括光束扩展器或光束横截面减小器；以及位于激光器和光束扩展器或光束横截面减小器之间的设备，用于生成二次谐波(倍频，SHG)或三次谐波(三倍频，THG)或四次谐波(四倍频，FHG)。飞秒激光束脉冲或皮秒激光束脉冲在从激光器出现之后分别穿过用于生成二次谐波(倍频，SHG)或三次谐波(三倍频，THG)或四次谐波(四倍频，FHG)的设备，并且光束扩展器或光束横截面减小器、加入的透镜系统、光阑、掩模、场透镜系统、成像透镜和至少一个真空容器中的至少一个具有适于透射生成的具有基波波长的一半或三分之一或四分之一的光子辐射的设计。
附图说明
下面将在示意图的基础上更详细地解释本发明：
图1显示用于实现飞秒和皮秒激光掩模投射方法(fspsMP)的光束引导和成形系统的光学部件的示意性布置；
图2显示用于光束引导变型1的根据图1的光束引导和成形系统中的激光束的计算光学路径，其中焦点位置在加入的透镜元件(16)和掩模(7)之间并且在透镜(10)和衬底(13)之间；
图3显示用于光束引导变型2的根据图1的光束引导和成形系统中的激光束的计算光学路径，其中焦点位置在加入的透镜元件(16)和掩模(7)之间并且在场透镜系统(8)和透镜(10)之间；
图4a示意性地显示布置在加入的透镜元件(16)和掩模(7)之间的真空容器1的横截面和布置在场透镜系统(8)和透镜(10)之间的类似的真空容器3的横截面；
图4b示意性地显示布置在透镜(10)和衬底(13)之间的真空容器2的横截面，其具有附连的横向喷射惰性气体喷嘴(21)；以及
图5以示例性方式显示实现的飞秒和皮秒激光掩模投射系统的光学部件的布置，其具有用于减小系统的总尺寸的四个偏转镜。
具体实施方式
光学部件的布置：
根据图1，借助于至少一个光束扩展器(3)，在激光束横截面(IG)上具有近似高斯强度分布的飞秒或皮秒激光器的脉冲激光束(2)在其从激光器(1)出现之后形成为仍具有近似高斯强度分布、但是具有扩展的横截面(IGA)的激光束。
随即，激光束通过光束均化器(4)，并且可选地，也通过加入的透镜元件或加入的透镜系统(16)，其在激光束(光束轴)的光轴(5)上的位置(P)处的均匀光点处生成激光束的均匀强度分布(IAH)，称为顶部平坦强度剖面。
为了在激光束横截面上生成激光束脉冲的预定结构化强度剖面，具有预定光阑孔径几何形状的光阑(6)和具有预定掩模孔径几何形状的掩模(7)在位置(P)处连续定位，或者在它们之间具有高达几十毫米的很小距离，或者彼此直接接触。由位于位置(P)处的均匀光点处的光阑(6)和掩模(7)透射的激光束脉冲的非衍射和衍射光束分量借助场透镜元件或场透镜系统(8)并且在透镜(10)处反射之后借助于至少一个90°偏转镜(9)在成像平面(11)中成像。在成像平面(11)中生成在如光阑和掩模生成的激光束横截面上的预定结构化强度剖面的在每个细节上精确并且具有预定成像比(V＝(aO/aS):1)的缩小图像(14)，通过改变透镜(10)的主平面(35)与衬底(13)的表面(12)之间的距离，在离透镜(10)的主平面(35)的图像距离(b)的距离处的所述成像平面的预定位置选择性地置于衬底表面(12)的上方(参见图1)，但是优选地置于上面或下方。
成像透镜(10)的主平面(35)与衬底表面(12)之间的距离(s)的变化优选地借助于衬底(13)位于其上的xyz坐标台(32)的z轴来实现。在不可移位的衬底的情况下，距离(s)的变化也可以借助于线性轴(33、34)来实现，场透镜元件或场透镜系统(8)和透镜(10)紧固到所述线性轴，并且因此所述线性轴可沿着光轴(5)由预定路径移位，而光学系统的成像性质不改变。
可以借助于光束扩展器(3)实现的激光束的横截面的增加，由横截面的该增加产生的掩模(7)的平面中的均匀光点处的激光束的横截面和加入的透镜元件或加入的透镜系统(16)的焦距(焦长)以及可实现的成像比V取决于激光束的脉冲能量并且必须以这样的方式彼此匹配，使得在成像平面(11)中获得计划的激光加工过程所需的激光束注量。如果由激光器发射的光束具有太低的脉冲能量，使得在预定成像比V的情况下在用于获得用于烧蚀成像平面(11)中的材料所需的注量的掩模(7)的平面中注量太小，则必须使用光束截面减小器来代替光束扩展器(3)。借助于可选的设备(15)，这可能例如在激光束的基波波长的倍频(SHG)或三倍频(THG)或四倍频(FHG)的情况下是必要的；作为例子，当中心基本波长为775nm的Clark公司的CPA 2010激光器的频率加倍时，只有具有基波波长的激光束的原始脉冲能量的大约40％可用，并且如果频率是三倍，它只有大约6-8％。可用的掩模区域于是将很小，但是以小光阑孔径或掩模孔径(即在衬底上具有例如1μm2和更小的很小成像横截面)生成很细的孔和精确的结构边缘并且在逐层结构化材料烧蚀的情况下也生成很小的三维微结构(3D结构)就够了。
在激光束横截面上只能有由光阑(6)和掩模(7)生成的强度剖面的图像(14)，所述图像在每个细节上是精确的并且减小预定成像比(V)，并且因此只有借助于fs和ps掩模投射方法才能生成预定微结构，如果在透射掩模区域处(例如在线光栅掩模处)衍射的激光束分量也到达成像平面(11)并且有助于成像，原因是否则信息被丢失，并且掩模的透射几何形状和因此由掩模生成的激光束的预定结构化强度剖面仅仅在成像平面中不精确地成像。因此，布置在掩模(7)下游的所有光学部件必须具有足够大的孔径，使得衍射的激光束分量也被成像并且也能够有助于成像。模拟计算和实验已表明，也必须有从一阶衍射一直到至少三阶衍射的成像，以便在成像平面(11)中获得由掩模生成的激光辐射的强度剖面的在每个细节上精确的图像。
fs和ps激光束的激光束焦点中的高光子密度导致在光束引导和成形系统的焦点区域中生成在光束路径中用于保护光学部件免受污染的密集空气等离子体或惰性气体的等离子体(也参见图2和图3)。这些激光诱导的等离子体导致激光束分量的吸收和散射，具有以下效果：由光束均化器(4)和掩模(7)之间的激光束的光束路径中的中间焦点(17)激发的等离子体减小掩模(7)的平面中的激光束的注量分布的均匀性，并且由透镜(10)的焦距(f)处的焦点1(19)激发的等离子体或由场透镜系统(8)和透镜(10)之间的焦点2(22)激发的等离子体导致成像平面(11)中被成像掩模孔径几何形状的质量的减小，例如导致边缘的锐度的减小，并且因此在由掩模(7)的孔径几何形状预先确定的区域中的衬底(13)上没有均匀材料烧蚀。所以，这些等离子体影响随后的激光束分量的光学质量，特别是在激光器的高脉冲重复频率(重复率)下，并且导致成像的细节和因此生成的微结构的精度的减小。
为了避免这些等离子体的出现，将真空容器(18、20、23)插入到焦点(17、19、22)的区域中的光束路径中。这些容器围绕焦点区域，包括涂覆有透射干涉层系统的两个窗口(25)，或一个窗口(25)和一个针孔孔径(26)，用于激光辐射的实质上无损透射，被抽空到前级真空并且必须包括在总光学系统的计算中。替代地，从激光器(1)的输出开始并且到达成像透镜(10)的整个光学系统也可以位于真空室中。
先前为选择的ps激光器类型开发的特定操作模式是“脉冲串模式(burst mode)”。与具有预定重复率的ps激光器的单独的脉冲操作相反，它不是在“脉冲串模式”中生成的ps激光束脉冲，而是ps激光束脉冲串，其具有在几十纳秒(典型地为20ns)的区域中的列(“脉冲串”)中的单独的脉冲的时间脉冲间间隔，并且具有在10-3至10-7秒(典型地为10μs)的区域中的时间脉冲串间间隔，即具有1kHz至10MHz的脉冲串重复频率(激光器的重复率)。在“脉冲串模式”中ps激光器的最大可能重复率取决于脉冲串中的单独的脉冲的数量并且由此被限制。ps激光器的单独的脉冲的脉冲持续时间和“脉冲串模式”中的脉冲的脉冲持续时间是相等的。脉冲列(“脉冲串”)可以以可调节的方式由多达20个单独的ps脉冲组成。这里，在脉冲串(例如，“Lumera Laser GmbH”的ps“Lumera Hyperrapid”激光器的脉冲串)中的单独的脉冲的相同脉冲间间隔的情况下，脉冲串中的单独的脉冲的脉冲能量可以根据典型地用于激光仪器的函数指数地减小，或脉冲串中的单独的脉冲的脉冲能量剖面可以被预先确定，使得脉冲串中的脉冲的不变脉冲能量或脉冲串中的脉冲的脉冲能量的减少或增加或者脉冲串中的脉冲的脉冲能量初始减小并且然后再次增加是可能的；此外，也能够抑制脉冲串中的一个脉冲或多个脉冲(例如，在“FlexBurstTM模式”中在“Time-Bandwidth Products”的“Time-Bandwidth DuettoTM”和“Time-Bandwidth FuegoTM”激光器类型中)。激光辐射的倍频或三倍频(SHG或THG)在ps激光器的“脉冲串模式”操作中也是可能的。与用单独的脉冲进行ps激光加工相比，“脉冲串模式”加工具有以下优点：
-当结构化金属工件时，相比于使用具有与脉冲串总能量相同的能量的单独的脉冲的ps脉冲辐射，即在单独的脉冲和脉冲串的注量相等的情况下，并且在单独的脉冲和脉冲串的相同脉冲间距离(重叠的程度)的情况下，即在单独的脉冲的重复率和脉冲串重复率相同的情况下，烧蚀速率更高；
-相比于用单独的脉冲进行ps脉冲辐射，在相同的重叠程度的情况下，甚至在“脉冲串”的更高注量的情况下，金属工件中生成的结构形式的质量更好，特别是表面粗糙度更低。
飞秒激光束脉冲的“脉冲串模式”的生成目前仍处于基础研究的阶段(例如，J.Hernandez-Rueda1，J.Siegel，D.Puerto2，M.Galvan-Sosa，W.Gawelda3，和J.Solis：Ad-hoc design of temporally shaped fs laser pulses based on plasma dynamics fordeep ablation in fused silica，Appl.Phys.A(2013)112)。
光束引导和成形系统中的光束引导变型1
在根据图2的光束引导变型1中，使用加入的透镜元件(16)，例如由两个透镜元件组成的场透镜系统(8)，和例如由两个透镜元件组成的透镜(10)。图2仅仅描绘透镜元件的主平面。光束路径的中间焦点(17)位于加入的透镜元件(16)和光阑/掩模组合(6、7)之间。由场透镜系统(8)和透镜(10)组成的成像光学系统的焦点1(19)位于透镜(10)和衬底表面(12)之间；成像平面(11)位于衬底表面(12)上。着色区域(2a)示出具有775nm的中心波长的fs激光束的一至五阶衍射的衍射激光束分量的传播，所述分量例如从线光栅掩模(7)的中心发出，其具有200μm的光栅周期以便生成根据图1中的(14)的光束强度剖面，但是具有更多数量的狭缝(在图1中未描绘)以便透射和衍射辐射。真空容器1(18)围绕中间焦点(17)，并且真空容器2(20)围绕焦点1(19)。成像平面(11)位于衬底表面(12)上。由虚线描绘的矩形指示另外的90°偏转镜(29、30、31)，其可以用于折叠光束路径并且增加整个光束引导和成形系统(参见图5)的紧凑性。然而，如果有足够长的空间可用，也可以在没有偏转镜(9、29、30、31)的情况下实现整个光学系统。
图4a中示意性地描绘的真空容器1(18)包括由对激光波长透明的材料制成的两个可互换平面平行圆形窗口(25)，和中空圆柱形间隔件(27)，其包括用于连接真空泵的凸缘(28)。窗口以真空密封的方式紧固到间隔件。真空容器1(18)以这样的方式定位使得激光束焦点(17)位于其中心。为了将两侧涂覆有透射激光波长的干涉层系统的窗口(25)的光束暴露尽可能低地保持，平行于光轴的窗口内表面之间的距离至少为100mm。
图4b中示意性地描绘的真空容器2(20)仅仅具有一个透射窗口(25)以便透射来自透镜的激光辐射；透射窗口表面的直径必须被选择为大到使得衍射激光束分量(2a)(参见图2)的至少一至三阶衍射的传播在没有障碍的情况下也是可能的。
具有用于透射激光辐射的针孔孔径(26)的盘代替窗口被插入以便在沿着衬底表面(12)的方向聚焦之后出现激光辐射；这是由于在该区域中的激光辐射的强度可以位于窗材料的破坏阈值之上。针孔孔径(26)的横截面仅仅略大于该位置处的总激光束横截面，并且特别是对于在微结构化和纳米结构化领域中的计划应用，其位于一到几十平方微米的范围内。在焦点(19)的区域中避免等离子体所需的真空借助于具有足够高的抽吸功率的真空泵来实现。在真空容器(20)和衬底(13)之间生成横向气流的横向喷射惰性气体喷嘴(21)被附连以便保护真空容器2(20)的窗口(25)不被来自衬底(13)的烧蚀材料占据。
光束引导变型1优选适于实现很小的成像截面以便生成具有在微米和纳米范围内的细节尺寸的结构，原因是在焦点1之后不存在其他光学部件，其像差误差(例如透镜元件的像差)可以对成像的细节精度具有不利影响。
光束引导和成形系统中的光束引导变型2
在根据图3的光束引导变型2中，类似地使用加入的透镜元件(16)，由两个透镜元件组成的场透镜系统(8)，和例如由两个透镜元件组成的透镜(10)。图3仅仅描绘透镜元件的主平面。光束路径的中间焦点(17)再次位于加入的透镜元件(16)和光阑/掩模组合(6、7)之间。在该光束引导变型2中，由场透镜系统(8)和透镜(10)组成的成像光学系统的焦点2(22)位于场透镜系统(8)和透镜(10)之间，使得具有用于激光辐射的两个透射窗口的真空容器(23)可以用于避免焦点2(22)的区域中的等离子体(参见图4a)；透射窗口表面的直径必须选择为大到使得衍射激光束分量(2a)(参见图3)的至少一至三阶衍射的传播在没有障碍的情况下也是可能的。成像平面(11)位于衬底表面(12)上。在透镜(10)和衬底(13)之间生成气流的惰性气体喷嘴系统(24)被附连以便保护透镜(10)不被来自衬底(13)的烧蚀材料占据。
由虚线描绘的矩形指示另外的90°偏转镜(29、30、31)，其可以用于折叠光束路径并且增加整个光束引导和成形系统(参见图5)的紧凑性。
然而，如果有足够长的空间可用，也可以在没有偏转镜(9、29、30、31)的情况下实现整个光学系统。
光束引导变型2优选适合于实现在大于几个10μm2至1mm2的范围内的相对大的成像横截面。
示例性实施例：fs激光掩模投射，光束引导变型2
图5描绘用于实现光束引导变型2(参见图3)的fs激光掩模投射系统。带测量值的箭头指定光学部件之间的距离，单位为毫米。使用四个90°偏转镜(29、30、31、9)以便实现系统的紧凑设置并且能够将其集成到“3D-Mikromac AG”的FS-150-10fs激光微结构化装置中，所述装置被设计用于借助于fs激光聚焦方法进行微结构化。在该装置中使用Clark MXRCPA 2010型激光器作为飞秒激光器；所述激光器具有以下参数：中心波长775nm，脉冲持续时间150fs，脉冲能量1mJ，脉冲重复频率1kHz；激光输出处的光束直径3mm，激光束横截面上的高斯强度分布。借助于光束扩展器(3)将光束直径增加到Rs＝6mm，并且在位置P处的均匀光点处具有3mJ/cm2的激光束脉冲注量的顶部平坦强度分布借助于均化器(4)和加入的透镜元件(16)形成。这里，借助于具有边长为aO＝3.54mm的方形孔径的掩模(6)在掩模(7)所处的位置P处的均匀光点处形成激光束脉冲的强度剖面。
借助于场透镜系统(8)和具有100mm的焦距的成像透镜(10)，由光阑(6)生成的激光束横截面和由掩模(7)形成的激光束强度分布的缩小图像(14)在成像平面(11)中的图像距离b＝110mm处生成，具有V＝11:1的成像比并且具有280mJ/cm2的激光束脉冲注量。
根据本发明的解决方案的优点
由于使用fs和ps掩模投射方法，能够生成具有低至亚微米范围的细节尺寸的微结构。作为例子，这些包括用于具有1μm和更小的光栅周期的可见光波长范围的光学衍射光栅。优选通过逐层结构化烧蚀生成的三维微结构具有高边缘锐度，高壁陡度以及低壁和基部粗糙度。由于在相邻的、非结构化衬底区域上的低的热和冲击波负荷，当结构化脆性材料时，在很大程度上避免了结构边缘的材料改变和剥落。在使用的激光器的足够高的脉冲能量和均匀光点的横截面的可能尺寸以及因此由此产生的掩模的横截面的可能尺寸的情况下，在微范围内的多光束加工，例如沟槽形和平截头体形结构的平行生成或薄层堆叠的平行结构化或分离，可以借助于因此在透射掩模孔径的相同预定几何形状和它们的彼此距离的情况下生成的部分光束被执行。

Claims (10)

1.一种用于将飞秒或皮秒激光束掩模投射到衬底表面上的设备，
其特征在于，
由激光束脉冲组成的激光束(2)在光轴(5)的位置(P)处形成以产生具有扩展的激光束横截面的激光束脉冲或具有减小的激光束横截面的激光束脉冲，并且所述激光束在激光束横截面上具有均匀强度分布，
具有预定光阑孔径几何形状的光阑(6)和具有预定掩模孔径几何形状的掩模(7)连续地定位在所述位置(P)处的光束路径中，
所述设备还包含：
场透镜系统(8)和成像透镜(10)，场透镜系统(8)和成像透镜(10)以这样的方式定位，使得由所述光阑(6)和所述掩模(7)透射的激光束脉冲的非衍射和衍射光束分量借助于所述场透镜系统(8)以这样的方式被引导到具有预定孔径的所述成像透镜(10)中，使得由所述光阑和所述掩模生成的强度剖面的在每个细节上精确并且具有预定成像比(V)的缩小图像(14)在成像平面(11)中的激光束脉冲的激光束横截面上生成，
所述设备的特征还在于，
在光束引导变型1中，加入的透镜系统(16)、所述场透镜系统(8)和所述成像透镜以这样的方式相对于彼此定位，使得在所述成像透镜(10)和衬底表面(12)之间生成焦点1(19)，并且在光束引导变型2中，所述加入的透镜系统(16)、所述场透镜系统(8)和所述成像透镜以这样的方式相对于彼此定位，使得在所述场透镜系统(8)和所述成像透镜(10)之间生成焦点2(22)，
存在取决于情况而围绕所述焦点1(19)或所述焦点2(22)的区域的至少一个真空容器。
2.根据权利要求1所述的设备，
其特征在于，
在所述场透镜系统(8)和所述成像透镜(10)之间布置90°偏转镜(9)。
3.根据权利要求1或2所述的设备，
其特征在于，
存在用于改变所述成像透镜(10)的主平面(35)与所述衬底表面(12)之间的距离(s)的装置，借助于所述用于改变所述成像透镜(10)的主平面(35)与所述衬底表面(12)之间的距离(s)的装置，通过改变所述成像透镜的主平面与所述衬底表面(12)之间的距离(s)，所述成像平面(11)的预定位置选择性地置于所述衬底表面(12)的上方、上面或下方，其中所述预定位置被限定为离所述成像透镜(10)的主平面(35)的图像距离(b)的距离。
4.根据权利要求3所述的设备，
其特征在于，
用于改变所述成像透镜(10)的主平面(35)与所述衬底表面(12)之间的距离(s)的装置是xyz坐标台(32)的z轴，衬底(13)被紧固到所述xyz坐标台的z轴。
5.根据权利要求3所述的设备，
其特征在于，
用于改变所述成像透镜(10)的主平面(35)与所述衬底表面(12)之间的距离(s)的装置是线性轴(33、34)，借助于所述线性轴，紧固到这些线性轴的所述场透镜系统(8)和所述成像透镜(10)以沿着光轴(5)能够以预定路径移位的方式布置。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，
其特征在于，
在光束引导变型1中，横向喷射惰性气体喷嘴(21)布置在所述至少一个真空容器(20)和所述衬底表面(12)之间。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，
其特征在于，
在光束引导变型2中，惰性气体喷嘴系统(24)附连在所述成像透镜(10)和所述衬底表面(12)之间。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，
其特征在于，
至少包括所述场透镜系统(8)、所述成像透镜(10)和所述至少一个真空容器的光学部件的孔径被选择为大到使得从一阶到至少三阶衍射，甚至由于所述掩模(7)的预定掩模孔径几何形状被衍射的激光束分量也在所述衬底表面上成像。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，
其特征在于，
使用的激光器(1)在“脉冲串模式”中操作。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备，
其还包括光束扩展器(3)或光束横截面减小器(3)；以及
位于所述激光器(1)和所述光束扩展器(3)或光束横截面减小器(3)之间的设备(15)，用于生成二次谐波(倍频，SHG)或三次谐波(三倍频，THG)或四次谐波(四倍频，FHG)，
其特征在于，
飞秒激光束脉冲或皮秒激光束脉冲在从所述激光器(1)出现之后分别穿过用于生成二次谐波(倍频，SHG)或三次谐波(三倍频，THG)或四次谐波(四倍频，FHG)的设备(15)，并且所述光束扩展器(3)或光束横截面减小器(3)、所述加入的透镜系统(16)、所述光阑(6)、所述掩模(7)、所述场透镜系统(8)、所述成像透镜(10)和所述至少一个真空容器中的至少一个具有适于透射生成的具有基波波长的一半或三分之一或四分之一的光子辐射的设计。
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