DE102004030607A1

DE102004030607A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Vermessen des Strahlprofils eines Laserstrahls, Laserbearbeitungsmaschine

Info

Publication number: DE102004030607A1
Application number: DE102004030607A
Authority: DE
Inventors: Hans Jürgen Mayer; Uwe Dr. Metka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2006-02-02
Also published as: WO2006000501A8; WO2006000501A1

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen des Strahlprofils eines Laserstrahls (111) innerhalb einer Laserbearbeitungsmaschine (100). Der Laserstrahl (111) wird auf einen Detektor (130) gerichtet und die auftreffende Strahlungsleistung gemessen. Ein Abschattungselement (140), welches eine Vorderkante (141) aufweist, wird mittels einer Positioniereinrichtung (138) in den Strahlengang des Laserstrahls (111) bewegt, so dass im Verlauf der Bewegung die Vorderkante (141) den Laserstrahl (111) in seiner gesamten transversalen Ausdehnung durchdringt und somit die von dem Detektor (130) gemessene Strahlungsleistung von der Position des Abschattungselements (140) abhängt. Mittels einer Auswerteeinheit (160a) wird die von dem Detektor (130) gemessene Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der Position des Abschattungselements (140) erfasst. Durch ein Ableiten der erfassten Messkurve (480) erhält man eine Auswertekurve (481), welche das Strahlprofil widerspiegelt. Durch eine Verfahrbewegung des Abschattungselements (140) entlang verschiedener Bewegungsrichtungen in Verbindung mit einer zu der jeweiligen Bewegungsrichtung senkrechten Orientierung einer Kante (141) des Abschattungselements kann das Strahlprofil des Laserstrahls (111) zweidimensional ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen des Strahlprofils eines Laserstrahls, insbesondere eines Laserstrahls zum Bohren und/oder Strukturieren von elektronischen Schaltungssubstraten.

Elektronische Baugruppen, welche in einer kompakten Bauform realisiert werden sollen, werden heutzutage häufig auf mehrschichtigen Schaltungsträgern, insbesondere auf mehrschichtigen Leiterplatten aufgebaut. Dabei ist es erforderlich, dass bestimmte leitfähige Schichten der Leiterplatte miteinander kontaktiert werden. Dies geschieht in der Regel dadurch, dass in die miteinander zu kontaktierenden Schichten ein Blind- oder ein Durchgangsloch gebohrt wird und das Loch nachfolgend mittels einer elektrisch leitenden Metallisierung versehen wird. Auf diese Weise können Leiterbahnen nicht nur zweidimensional, sondern auch in der dritten Dimension ausgebildet und somit der Platzbedarf von elektronischen Baugruppen erheblich reduziert werden.

Das Bohren von elektronischen Schaltungssubstraten erfolgt üblicherweise mittels gepulster Laserstrahlung in speziellen Laserbearbeitungsmaschinen für den Elektronikbereich. Als Laserquellen werden beispielsweise CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von ungefähr 10 μm oder Festkörperlaser, wie beispielsweise ein Nd:YAG-Laser verwendet. Letzterer erlaubt neben der Emission einer Grundwellenlänge von 1064 nm abhängig von der Art der Frequenzvervielfachung in einem nichtlinearen Kristall auch eine Laseremission bei 532 nm, 355 nm oder 266 nm. Aufgrund der stetig zunehmenden Miniaturisierung von elektronischen Baugruppen ist für eine wettbewerbsfähige Laserbearbeitungsmaschine insbesondere die Strahlqualität, d.h. die in einem Fokusbereich des bearbeitenden Laserstrahls vorhandene transversale Intensitätsverteilung, welche auch als Strahlprofil bezeichnet wird, von großer Bedeutung.

Da sich während des Betriebs einer Laserlichtquelle die Strahlqualität des bearbeitenden Laserstrahls ändern kann, ist es wünschenswert, das Strahlprofil von Zeit zu Zeit durch eine entsprechende Messung zu überprüfen. So gibt es beispielsweise für CO₂-Laser die Möglichkeit, mit entsprechenden Messgeräten das Strahlprofil auch im Fokus zu messen. Derartige Messungen können jedoch nur außerhalb des Betriebs der Laserbearbeitungsmaschine durchgeführt werden, da für eine entsprechende Messung das Messgerät mit einer exakten Justierung in der Laserbearbeitungsmaschine montiert werden muss.

Die Vermessung des Strahlprofils von Laserlichtquellen, welche Laserstrahlung im sichtbaren oder im nahen ultravioletten Spektralbereich emittieren, ist ferner aufgrund der kürzeren Wellenlänge insbesondere im Strahlfokus wesentlich schwieriger. Die kürzere Wellenlänge erlaubt nämlich eine Fokussierung mit deutlich kleinerem Fokusdurchmesser, so dass bei einer bestimmten Laserleistung eine im Vergleich zu infraroter Laserstrahlung wesentlich größere Energiedichte vermessen werden muss. Bei der Strahlprofilvermessung von sichtbarer oder nah-ultravioletter Laserstrahlung tritt zudem das Problem der exakten Positionierung eines entsprechenden Messgerätes im Fokus des Laserstrahls verstärkt auf, so dass die Vermessung nur mit einem erheblichen Aufwand für die erforderliche Feinjustierung des Messgeräts erfolgen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Vermessen des Strahlprofils eines Laserstrahls zu schaffen, welche in einer Laserbearbeitungsmaschine eingesetzt werden können und welche eine einfache und zügig durchführbare Strahlprofilvermessung ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Laserbearbeitungsmaschine zu schaffen, welche eine einfache und zügig durchführbare Strahlprofilvermessung ermöglicht.

Die verfahrensbezogene Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Vermessen des Strahlprofils eines Laserstrahls in einer Laserbearbeitungsmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Erfindungsgemäß wird der Laserstrahl auf einen Detektor gerichtet und die auf den Detektor auftreffende Strahlungsleistung gemessen. Während der Messung der auftreffenden Strahlungsleistung wird ein Abschattungselement, welches eine Vorderkante aufweist, mittels einer Positioniereinrichtung relativ zu dem Laserstrahl entlang einer ersten Bewegungsrichtung derart bewegt, dass im Verlauf der Bewegung die Vorderkante den Laserstrahl in seiner gesamten transversalen Ausdehnung durchdringt. Die von dem Detektor gemessene Strahlungsleistung wird in Abhängigkeit von der Position des Abschattungselements von einer Auswerteeinheit erfasst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Strahlprofil durch eine einfach zu realisierende Leistungsmessung des Laserstrahls innerhalb einer Laserbearbeitungsmaschine dadurch realisiert werden kann, dass das Abschattungselement sukzessive in den Strahlengang des Laserstrahls bewegt wird und somit abhängig von der jeweiligen Position des Abschattungselements ein bestimmter Teil des Laserstrahls von dem Detektor abgeschattet wird. Die Genauigkeit der Vermessung des Strahlprofils hängt vor allem von der mechanischen Präzision der Positioniereinrichtung sowie von dem Kantenverlauf des Abschattungselements ab, welches insbesondere bei der Vermessung von Laserstrahlen im sichtbaren und im nahen ultravioletten Spektralbereich mit einer genau definierten geradlinigen Kantenverlauf präzise gefertigt sein sollte.

Als Abschattungselement kann jedes Objekt mit einer scharfen und bevorzugt dünnen Kante verwendet werden, welches aus einem Material, wie beispielsweise Metall gefertigt ist, welches durch den zu vermessenden Laserstrahl nicht abgetragen wird. Als Abschattungselement kann somit beispielsweise eine herkömmliche Rasierklinge verwendet werden. Die Kante der Rasierklinge wird dann in sehr kleinen Schritten oder kontinuierlich durch den Laserstrahl bewegt und die Laserleistung, die noch an der Rasierklinge vorbei auf den Detektor trifft, wird positionsabhängig vermessen. Die üblicherweise hohe Positioniergenauigkeit von Positioniereinrichtungen von im Elektronikbereich verwendeten Laserbearbeitungsmaschinen ermöglicht nicht nur für Laserstrahlen im infraroten, sondern auch für Laserstrahlen im sichtbaren oder im nahen ultravioletten Spektralbereich eine genaue Vermessung des jeweiligen Strahlprofils.

Als Abschattungselement kann ferner auch eine Spalt oder eine bevorzugt kreisförmige Blende verwendet werden. In diesen Fällen sind jedoch geänderte Auswertealgorithmen erforderlich, da der zu vermessende Laserstrahl während einer Bewegung des Abschattungselements zunächst abgeschattet, danach freigegeben und am Ende der Bewegung wieder abgeschattet ist.

Das Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Bewegungsrichtung des Abschattungselements senkrecht zu der Vorderkante verläuft und/oder die Bewegungsrichtung des Abschattungselements senkrecht zu dem Strahlengang des Laserstrahls verläuft, ermöglicht eine hohe Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Relativbewegung zwischen Abschattungselement und Laserstrahl auch durch eine entsprechende Ablenkung des Laserstrahls mittels einer Ablenkeinheit bei gleichzeitig feststehendem Abschattungselement realisiert werden kann. Selbstverständlich wäre auch eine Kombination aus einer Bewegung des Abschattungselements und einer Ablenkung des Laserstrahls möglich.

Gemäß Anspruch 3 wird aus der aufgezeichneten Messkurve durch einfaches Differenzieren nach der Position des Abschattungselements eine Auswertekurve ermittelt, anhand welcher der Verlauf des Strahlprofils unmittelbar abgelesen werden kann.

Die Ausführungsform nach Anspruch 4, bei der die Position des Laserstrahls bestimmt wird, wird am einfachsten dadurch realisiert, dass das Maximum der o.g. Auswertekurve als direktes Maß für die Position des Laserstrahls entlang der Bewegungsrichtung des Abschattungselements herangezogen wird. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung des Laserstrahls kann jedoch dadurch erhöht werden, dass die Flanken der Auswertekurve vermessen werden und bei einem symmetrischen Verlauf der Auswertekurve das Maximum und damit die exakte Position des Laserstrahls dadurch bestimmt wird, dass die exakte Lage des Maximums genau in der Mitte zwischen zwei Messwerten mit gleicher Laserleistung liegt, welche Messwerte auf unterschiedlichen Flanken der Auswertekurve liegen. Auf vorteilhafte Weise kann somit nach einer einmaligen Kalibrierung die Position des Laserstrahls jederzeit ohne aufwendige Umbauten einer entsprechenden Laserbearbeitungsmaschine und ohne den Einsatz von Verbrauchsmaterial wie beispielsweise Glasplatten oder kupferkaschierte Leiterplatten gemessen werden.

Das Verfahren nach Anspruch 5 hat den Vorteil, dass das Strahlprofil genau in dem Fokusbereich des Laserstrahls vermessen wird, welcher Bereich für die räumliche Auflösung von kleinen Bearbeitungsstrukturen, wie beispielsweise dem Bohren von Löchern, relevant ist. Bei der Verwendung eines Abschattungselements mit einer genau definierten Vorderkante sowie bei der Verwendung einer hochwertigen Positioniereinrichtung kann auch das Strahlprofil eines sichtbaren oder nahen ultravioletten Laserstrahls im Fokus vermessen werden.

Es wird darauf hingewiesen, dass bei der Strahlprofilvermessung von Laserstrahlung mit einer hohen Energie- bzw. Leistungsdichte, welche beispielsweise zum Laserbohren von mehrschichtigen Leiterplatten verwendet wird, das Material des Abschattungselements abgetragen werden kann. Dieser unerwünschte Effekt kann jedoch auf einfache Weise dadurch eliminiert werden, dass zur Strahlprofilvermessung die Aus gangsleistung der Laserlichtquelle reduziert und/oder ein Lichtabsorber in den Strahlengang eingebracht wird. Ein Lichtabsorber, welcher beispielsweise mittels einer Schwenkbewegung in den Strahlengang des zu vermessenden Laserstrahls eingebracht werden kann, kann auch in Verbindung mit einem Spalt oder einer Blende als Abschattungselement eingesetzt werden.

Das Verfahren nach Anspruch 6 ermöglicht die Vermessung des Strahlprofils eines Laserstrahls entlang zweier unterschiedlicher Bewegungsrichtungen, so dass das Strahlprofil im Vergleich zu einer lediglich eindimensionalen Strahlprofilvermessung genauer bestimmt werden kann. Es wird darauf hingewiesen, dass im Prinzip Strahlprofilvermessungen aus beliebigen unterschiedlichen Richtungen möglich sind, so dass eine genaue Strahlcharakterisierung auf einfache Weise realisierbar ist. Bei der Verwendung von herkömmlichen xy-Flächenpositioniereinrichtungen kann durch eine entsprechende Überlagerung einer x- und einer y-Bewegung ohne zusätzlichem apparativen Aufwand jede mögliche Bewegungsrichtung des Abschattungselements realisiert werden. Die Strahlprofilvermessung aus unterschiedlichen Richtungen ist insbesondere relevant für Laserstrahlen, welche mit sog. Strahlformungselementen beispielsweise zu einem Strahlprofil geformt wurden, welches innerhalb eines bestimmten Bereichs nahe der Strahlachse eine nahezu konstante Intensitätsverteilung und außerhalb dieses Bereichs eine nahezu verschwindende Strahlintensität aufweist. Als Strahlformungselement kann ein diffraktives oder refraktives optisches Element verwendet werden.

Bei dem Verfahren nach Anspruch 7 wird das Strahlprofil des Laserstrahls an unterschiedlichen Stellen im Strahlengang des Laserstrahls vermessen. Dies ermöglicht eine dreidimensionale Vermessung des Strahlprofils und, da mit der Vermessung des Strahlprofils stets auch der Strahldurchmesser bestimmt wird, eine präzise Bestimmung der Fokusebene. Aus einer derartigen dreidimensionalen Vermessung des Strahlprofils lässt sich der in der Lasertechnik bekannte Wert M² bestimmen, in welchem unter anderem die Divergenz und die Rundheit des Strahlprofils eingeht und welcher ein gutes Maß für die Strahlqualität darstellt. Bei einem perfekt gausförmigen Strahlprofil ist der Wert von M² genau 1. In der Praxis erreicht man für einen qualitativ hochwertigen frequenzvervielfachten Strahl mit einer Wellenlänge von 355 nm für M² Werte von ungefähr 1,2 bis 1,4. Für längere Wellenlängen, d.h. mit geringerer oder ohne Frequenzvervielfachung kann eine noch bessere Strahlqualität erreicht werden.

Die erste vorrichtungsbezogene Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Vermessen des Strahlprofils eines Laserstrahls innerhalb einer Laserbereitungsmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 8. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein Abschattungselement mit einer Vorderkante, eine Positioniereinrichtung, mittels welcher das Abschattungselement relativ zu dem Laserstrahl entlang einer ersten Bewegungsrichtung derart bewegbar ist, dass im Verlauf der Bewegung die Vorderkante den zu vermessenden Laserstrahl in seiner gesamten transversalen Ausdehnung durchdringt. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Detektor zum Messen der auftreffenden Strahlungsleistung des Laserstrahls und eine Auswerteeinheit, mittels welcher die von dem Detektor gemessene Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der Position des Abschattungselements erfassbar ist.

Die Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher der Detektor an der Positioniereinrichtung befestigt ist, ist besonders einfach in herkömmliche Laserbearbeitungsmaschinen zu implementieren. Dabei ist erforderlich, dass die aktive Detektorfläche des Detektors eine Längenausdehnung aufweist, welche größer ist als der Verfahrweg des Abschattungselements. Die Verwendung eines Detektors mit einer vergleichsweise großen aktiven Detektorfläche hat den Vorteil, dass insbesondere bei einer Anordnung des Detektors in räumlicher Nähe zu dem Abschattungselement Beugungseffekte an der Vorderkante des Abschattungselements keine Rolle spielen, da sämtliche Beugungsmaxima mit nennenswerter Intensität auf die vergleichsweise große Detektorfläche auftreffen.

Die Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der das Abschattungselement mehrere Kanten aufweist und bei der eine Flächen-Positioniereinrichtung eine beliebige Bewegung des Abschattungselements innerhalb einer xy-Ebene ermöglicht, erlaubt durch ein geschicktes Anordnen der Kanten und der Bewegungsrichtungen des Abschattungselements, welche bevorzugt senkrecht zu den Kanten verlaufen, eine Strahlprofilvermessung aus verschiedenen Richtungen. Somit ist eine zweidimensionale Auftragung des gemessenen Strahlprofils möglich. Je größer die Anzahl der Kanten und der entsprechenden durchgeführten Verfahrbewegungen des Abschattungselements ist, um so genauer kann das transversale Strahlprofil des Laserstrahls vermessen werden.

Die Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Abschattungselement relativ zu der Positioniereinrichtung drehbar gelagert ist, ermöglicht eine Vielzahl von Strahlprofilvermessungen entlang beliebiger Richtungen und somit eine besonders genaue Vermessung des zweidimensionalen Strahlprofils.

Die Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der das Abschattungselement zusätzlich entlang des Laserstrahls verschoben werden kann, ermöglicht die Vermessung des Strahlprofils entlang einer weiteren Dimension, so dass wichtige Kenngrößen für die Strahlqualität wie beispielsweise der Wert M² genau bestimmt werden können. Da mit der Vermessung des Strahlprofils stets auch der Durchmesser des Laserstrahls gemessen wird, kann durch eine Vermessung des Strahlprofils an unterschiedlichen Stellen entlang des Strahlengangs des Laserstrahls auf einfache Weise und mit hoher Präzision die genaue Lage der Fokusebene des Laserstrahls bestimmt werden.

Die zweite vorrichtungsbezogene Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Laserbearbeitungsmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere zum Bohren und/oder Strukturieren von elektronischen Schaltungssubstraten mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 14. Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine umfasst eine Laserquelle, eine Ablenkungseinheit und eine Abbildungsoptik, um einen von der Laserquelle emittierten Laserstrahl auf eine jeweilige Bearbeitungsposition des Werkstücks zu lenken. Die Laserbearbeitungsmaschine umfasst ferner eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die oben beschriebene Vorrichtung zum Vermessen des Strahlprofils eines Laserstrahls auf einfache Weise in eine Laserbearbeitungsmaschine implementiert werden kann, so dass zur Strahlprofilvermessung der Betrieb der Laserbearbeitungsmaschine ohne große apparative Umbauten lediglich für kurze Zeit unterbrochen werden muss.

Die Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 15 hat den Vorteil, dass zur Bewegung des Abschattungselements eine Positioniereinrichtung verwendet wird, welche bei bekannten Laserbearbeitungsmaschinen zur Positionierung des Werkstücks relativ zu einem Bearbeitungsfeld ohnehin vorhanden ist.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.
In der Zeichnung zeigen
1 eine Laserbearbeitungsmaschine in schematischer Darstellung,
2 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zum Vermessen des Strahlprofils,
3a, 3b und 3c eine schematische Darstellung von verschiedenen Abschattungselementen in Verbindung mit jeweils bevorzugten Verfahrbewegungen des Abschattungselements in einer Draufsicht und
4 den Verlauf einer beispielhaft gemessenen Messkurve des Verlaufs der gemessenen Laserleistung in Abhängigkeit von dem Verfahrweg und der daraus ermittelten Auswertekurve.
An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass sich in der Zeichnung die Bezugszeichen einander entsprechender Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer unterscheiden.
1 zeigt eine Laserbearbeitungsmaschine 100, bei der eine Laserlichtquelle 110 einen Laserstrahl 111 emittiert, welcher zur Materialbearbeitung über eine Ablenkeinheit 120 und eine Abbildungsoptik 125 auf ein nicht dargestelltes Werkstück gelenkt wird. Zur Bearbeitung wird das Werkstück auf einem Positioniertisch 137 befestigt, welcher durch eine entsprechende Bewegung eine beliebige Positionierung des Werkstücks innerhalb eines Bearbeitungsfeldes der Laserbearbeitungsmaschine 100 ermöglicht. Die Ablenkeinheit 120 weist zwei Ablenkspiegel 121 auf, welche um zueinander senkrecht angeordneten Achsen schwenkbar sind. In der schematischen Darstellung von 1 ist lediglich ein Ablenkspiegel 121 dargestellt.
Zur Vermessung des Strahlprofils ist ein Abschattungselement 140 mit einer scharfen Vorderkante 141 vorgesehen, welches über eine Halterung 136 an dem Positioniertisch 137 befestigt ist. Ferner ist ein Detektor 130 vorgesehen, welcher eine dem Laserstrahl 111 zugewandte aktive Detektorfläche 131 aufweist. Der Detektor 130 ist über eine Halterung 135 und die Halterung 136 an dem Positioniertisch 137 befestigt. Bei einer transversalen Bewegung des Positioniertisches 137 führt eine teilweise Abschattung des Laserstrahls 111 somit zu einem Messsignal, welches direkt proportional zu der Laserleistung ist, welche auf die aktive Detektorfläche 131 trifft.
Die Laserbearbeitungsmaschine 100 weist ferner eine Steuereinheit 160 auf, welche über eine Steuerleitung 176 mit der Laserlichtquelle 110, über eine Steuerleitung 175 mit der Ablenkeinheit 120, über eine Steuerleitung 171 mit der Positioniereinrichtung 138 und über eine Messleitung 170 mit dem Detektor 130 gekoppelt ist. Die Steuereinheit 160 weist eine Auswerteeinheit 160a auf, welche in Form von Hardware und/oder in Form von Software realisiert sein kann. Außerdem ist die Steuereinheit 160 mit einer Ein- und Ausgabeeinheit 160b gekoppelt, welche als Schnittstelle zu einer Bedienperson oder zu weiteren Datenverarbeitungsanlagen dient.
Die Auswerteeinheit 160a dient der Erfassung der von dem Detektor 130 gemessenen Laserleistung in Abhängigkeit von der jeweiligen Position des Abschattungselements 140. Die Position des Abschattungselements 140 wird dabei über die Steuerleitung 171 zwischen der Steuereinheit 160 und der Positioniereinrichtung 138 in Form von entsprechenden Daten übergeben.
Die Positioniereinrichtung 138 ermöglicht eine beliebige dreidimensionale Verschiebung des Positioniertisches 137, so dass das Abschattungselement 140 nicht nur senkrecht zu dem Laserstrahl 111, sondern auch parallel zu dem Laserstrahl 111 bewegt werden kann. Somit kann sukzessive das Strahlprofil des Laserstrahls 111 an verschiedenen Stellen des Strahlengangs vermessen und der Laserstrahl 111 somit genau charakterisiert werden. Damit lassen sich wichtige Kenngrößen für die Strahlqualität wie beispielsweise der Wert M² bestimmen.
Es wird darauf hingewiesen, dass anstelle des Positioniertisches 137 auch das optische System der Laserbearbeitungsmaschine 100, nämlich die Laserlichtquelle 110, die Ablenkeinheit 120 und die fokussierende Abbildungsoptik 125 verschoben werden können, so dass ebenfalls eine Relativbewegung zwi schen der Vorderkante 141 und dem Laserstrahl 111 erzeugt wird.
Die Auswertung der von dem Detektor 130 in Abhängigkeit von der jeweiligen Position des Abschattungselements 140 gemessenen Laserleistung wird an späterer Stelle anhand von 4 erläutert.
2 zeigt in einer perspektivischen schematischen Darstellung eine Vorrichtung zum Vermessen des Strahlprofils eines Laserstrahls 211. Das Eindringen des Abschattungselements 240 in den Bereich des Laserstrahls 211 bewirkt stromabwärts des Abschattungselements 240 eine Abschattung eines Teils des Laserstrahls 211, so dass auf den nicht dargestellten Detektor, welcher sich unterhalb einer Öffnung 239a innerhalb eines Grundelements 239 befindet, eine entsprechend reduzierte Laserleistung trifft. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind das die Vorderkante 241 aufweisende Abschattungselement 240, die Halterung 236 und das Grundelement 239 einstückig ausgebildet.
Es wird darauf hingewiesen, dass in 2 Beugungseffekte, welche an der Vorderkante 241 des Abschattungselements 240 auftreten, nicht dargestellt sind. Diese Beugungseffekte sind jedoch insbesondere dann zu vernachlässigen, wenn unterhalb der Öffnung 239a ein Detektor angeordnet ist, welcher eine hinreichend große aktive Detektorfläche aufweist. Dann werden zumindest diejenigen Beugungsmaxima von dem Detektor erfasst, welche einen signifikanten Beitrag zu der das Abschattungselement 240 passierenden Strahlungsleistung beitragen.
Die 3a, 3b und 3c zeigen unterschiedliche Abschattungselemente 340a, 340b, 340c, welche mittels einer nicht dargestellten Positioniereinrichtung parallel zu der Detektorfläche 331 entlang verschiedener Bewegungsrichtungen 342a, 342b, 342c bewegt werden können. Die Bewegungsrichtungen 342a, 342b, 342c sind dabei so gewählt, dass sie senkrecht zu Kanten 341a, 341b, 341c der Abschattungselemente 340a, 340b, 340c verlaufen. Je höher die Anzahl der zueinander winklig angeordneten Kanten, desto genauer kann das Strahlprofil vermessen werden, da durch eine entsprechende Bewegung des Abschattungselements 340a, 340b, 340c das Strahlprofil des Laserstrahls aus unterschiedlichen Richtungen vermessen werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass ebenso ein drehbar an der Positioniereinrichtung befestigtes Abschattungselement verwendet werden kann, so dass durch eine entsprechende Drehung im Prinzip das Strahlprofil aus beliebig vielen verschiedenen Richtungen durch eine Kombination von einer Bewegung der Positioniereinrichtung in x- und einer Bewegung in y-Richtung vermessen werden kann.
4 zeigt eine Messkurve 480, welche in einem Koordinatensystem aufgetragen ist, bei der als Abszisse die jeweilige Position des Abschattungselements und als Ordinate die von dem Detektor gemessene Laserleistung I aufgetragen ist. Die Position des Abschattungselements ist als Abstand d von der Strahlmitte aufgetragen. Der Abstand d und die Laserleistung I sind jeweils in willkürlichen Einheiten aufgetragen.
Die Messkurve 480 kann durch Differenzieren nach der Position des Abschattungselements in eine Auswertekurve 481 transformiert werden, welche abgesehen von einem Messrauschen eine symmetrische, annähernd gaußförmige Form aufweist. Aus der Auswertekurve 481 lassen sich unmittelbar die genaue Position des Laserstrahls und der Durchmesser des Laserstrahls entnehmen.
Zusammenfassend bleibt festzustellen:
Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen des Strahlprofils eines Laserstrahls 111 innerhalb einer Laserbearbeitungsmaschine 100. Erfindungsgemäß wird der Laserstrahl 111 auf einen Detektor 130 gerichtet und die auftreffende Strahlungsleistung gemessen. Ein Abschattungselement 140, welches eine Vorderkante 141 aufweist, wird mittels einer Positioniereinrichtung 138 relativ zu dem Laserstrahl 111 entlang einer ersten Bewegungsrichtung derart bewegt, dass im Verlauf der Bewegung die Vorderkante 141 den Laserstrahl 111 in seiner gesamten transversalen Ausdehnung durchdringt und somit die von dem Detektor 130 gemessene Strahlungsleistung von der Position des Abschattungselements 140 abhängt. Mittels einer Auswerteeinheit 160a wird die von dem Detektor 130 gemessene Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der Position des Abschattungselements 140 erfasst. Durch ein Ableiten der von der Auswerteeinheit 160a erfassten Messkurve 480 nach der Position des Abschattungselements 140 erhält man eine Auswertekurve 481, welche unmittelbar das gemessene Strahlprofil widerspiegelt. Durch eine Verfahrbewegung des Abschattungselements 140 entlang verschiedener Bewegungsrichtungen in Verbindung mit einer zu der jeweiligen Bewegungsrichtung senkrechten Orientierung einer Kante 141 des Abschattungselements kann das Strahlprofil des Laserstrahls 111 zweidimensional ermittelt werden. Durch eine Verschiebung des Abschattungselements 140 längs des Laserstrahls 111 kann das Strahlprofil an verschiedenen Stellen des Strahlengangs vermessen und somit sowohl die Fokusebene genau bestimmt als auch wichtige Parameter für die Strahlqualität ermittelt werden. Die Erfindung schafft ferner eine Laserbearbeitungsmaschine 100, bei der auf vorteilhafte Weise die oben genannte Vorrichtung zum Vermessen des Strahlprofils, zur Bestimmung der Fokuslage und zur Bestimmung der Position des Laserstrahls 111 implementiert ist, so dass eine Vermessung der genannten Größen ohne eine längere Unterbrechung des Betriebs der Laserbearbeitungsmaschine 100 möglich ist.

Claims

Verfahren zum Vermessen des Strahlprofils eines Laserstrahls in einer Laserbearbeitungsmaschine, insbesondere in einer Laserbearbeitungsmaschine zum Bohren und/oder Strukturieren von elektronischen Schaltungssubstraten, bei dem • der Laserstrahl (111) auf einen Detektor (130) gerichtet und die auftreffende Strahlungsleistung gemessen wird, • ein Abschattungselement (140), welches eine Vorderkante (141) aufweist, mittels einer Positioniereinrichtung (138) relativ zu dem Laserstrahl (111) entlang einer ersten Bewegungsrichtung derart bewegt wird, dass im Verlauf der Bewegung die Vorderkante (141) den Laserstrahl (111) in seiner gesamten transversalen Ausdehnung durchdringt, und • die von dem Detektor (130) gemessene Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der Position des Abschattungselements (140) von einer Auswerteeinheit (160a) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bewegungsrichtung • senkrecht zu der Vorderkante (141) und/oder • senkrecht zu dem Strahlengang des Laserstrahls (111) verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem in der Auswerteeinheit (160a) • eine Messkurve aufgezeichnet wird, welche eine Mehrzahl von Messpunkten umfasst, bei denen jeweils eine von dem Detektor (130) gemessene Strahlungsleistung einer Position des Abschattungselements (140) zugeordnet ist, und • die Messkurve durch Differenzieren nach der Position in eine Auswertekurve umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Position des Laserstrahls (111) relativ zu einer Bearbeitungsfläche bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Strahlprofil in einem Fokusbereich des Laserstrahls (111) vermessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem nach der Vermessung des Strahlprofils entlang der ersten Bewegungsrichtung das Strahlprofil entlang einer zweiten Bewegungsrichtung vermessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem nach der Vermessung des Strahlprofils an einer ersten Stelle im Strahlengang des Laserstrahls (111) das Strahlprofil an einer zweiten Stelle im Strahlengang des Laserstrahls (111) vermessen wird.
Vorrichtung zum Vermessen des Strahlprofils eines Laserstrahls in einer Laserbearbeitungsmaschine, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit • einem Abschattungselement (140), welches eine Vorderkante (141) aufweist, • einer Positioniereinrichtung (138), mittels welcher das Abschattungselement (140) relativ zu dem Laserstrahl (111) entlang einer ersten Bewegungsrichtung derart bewegbar ist, dass im Verlauf der Bewegung die Vorderkante (141) den Laserstrahl (111) in seiner gesamten transversalen Ausdehnung durchdringt, • einem Detektor (130) zum Messen der auftreffenden Strahlungsleistung des Laserstrahls (111), und • einer Auswerteeinheit (160a), mittels welcher die von dem Detektor (130) gemessene Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der Position des Abschattungselements (140) erfassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Detektor (130) an der Positioniereinrichtung (138) befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, bei der die Positioniereinrichtung (138) eine Flächen-Positioniereinrichtung zur Bewegung des Abschattungselements (140) in beliebiger Richtung innerhalb einer x-y-Ebene ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der das Abschattungselement (140) neben der Vorderkante (141) zumindest noch eine weitere Kante aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, bei der das Abschattungselement (140) relativ zu der Positioniereinrichtung (138) drehbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei der die Positioniereinrichtung (138) zusätzlich eine Verschiebeeinrichtung zum Verschieben des Abschattungselements (140) entlang des Strahlengangs des Laserstrahls (111) aufweist.
Laserbearbeitungsmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere zum Bohren und/oder Strukturieren von elektronischen Schaltungssubstraten, mit • einer Laserquelle (110), eingerichtet zum Emittieren eines Laserstrahls (111), • einer Ablenkungseinheit (120) und einer Abbildungsoptik (125), um den Laserstrahl (111) auf eine jeweilige Bearbeitungsposition des Werkstücks zu lenken, und • einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13 zum Vermessen des Strahlprofils des von der Abbildungsoptik (125) fokussierten Laserstrahls (111).
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 14, bei der die Positioniereinrichtung (138) sowohl zur Bewegung des Werkstücks als auch zur Bewegung des Abschattungselements (140) vorgesehen ist.