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Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Aufteilung eines Laserstrahls oder eines Laserstrahlbündels auf mehrere Teilstrahlen, mit zumindest einer Kaskade von mehreren Strahlteilern, von denen mindestens ein Strahlteiler verstellbar angeordnet ist.
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Aus der
JP 11347775 A ist ein optisches System bekannt, bei dem mehrere Strahlteiler in Strahlrichtung hintereinander, also kaskadiert angeordnet sind. Die Strahlteiler sind jeweils entweder um eine Achse senkrecht zur Strahlteilerebene drehbar oder parallel zur Strahlteilerebene linear verschiebbar angeordnet. Dadurch können unterschiedliche Bereiche des Strahlteilers mit unterschiedlichem Teilungsverhältnis in den Strahlengang des Laserstrahls gebracht werden. Der Abstand der Strahlen in einer Brennebene ist stets gleich und nicht veränderbar.
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Eine ähnliche Offenbarung wie die japanische Druckschrift enthält die
US 5,798,867 , wobei die Strahlteiler in diesem Fall lediglich linear verschiebbar angeordnet sind, um unterschiedliche Strahlteilungsverhältnisse zu realisieren.
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Für Anwendungen wie die strukturierende Bearbeitung von Oberflächen, ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen den Teilstrahlen eingestellt werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein optisches System zur Aufteilung eines Laserstrahls bereitzustellen, bei dem der Abstand von Teilstrahlen zueinander einstellbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein optisches System zur Aufteilung eines Laserstrahls oder eines Laserstrahlbündels auf mehrere Teilstrahlen, mit zumindest einer Kaskade von mehreren Strahlteilern, von denen mindestens ein Strahlteiler verstellbar angeordnet ist, wobei der zumindest eine verstellbare Strahlteiler um eine Drehachse drehbar angeordnet ist, die parallel zu einer Brennebene der Teilstrahlen verläuft. Durch eine Drehung des verstellbaren Strahlteilers um eine Drehachse parallel zur Brennebene wird demnach der Teilstrahl dieses Strahlteilers unterschiedlich abgelenkt, sodass sich seine Position in der Brennebene verändert. Dadurch kann der Abstand zwischen zwei Teilstrahlen eingestellt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mehrere verstellbare Strahlteiler vorgesehen sind. Es kann vorgesehen sein, dass jeder Strahlteiler individuell verstellbar angeordnet ist, sodass auch unterschiedliche Abstände zwischen den Teilstrahlen erzeugbar sind, oder dass die Strahlteiler gemeinsam, d. h. synchron, bewegbar sind.
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Das erfindungsgemäße optische System hat insbesondere Vorteile in der Anwendung bei der Dotierung von Solarzellen. Aus der
EP 1 738 402 B1 ist es beispielsweise bekannt, einen dotierten Bereich in einem Festkörper zu erzeugen, indem ein Medium, welches einen Dotierstoff enthält, mit einer Oberfläche des Festkörpers in Kontakt gebracht wird. Durch Bestrahlung mit Laserimpulsen wird ein Bereich des Festkörpers unterhalb der mit dem Medium kontaktierten Oberfläche aufgeschmolzen, sodass der Dotierstoff in den aufgeschmolzenen Bereich eindiffundiert und während des Abkühlens der aufgeschmolzene Bereich rekristallisiert. Dabei wird der Laserstrahl mit einem Linienfokus auf dem Festkörper fokussiert. Wenn jedoch mit diesem Verfahren der Übergangswiderstand zwischen Kontaktfingern und einem Siliziumsubstrat bei einer Solarzelle verringert werden soll, so muss in sehr vielen nebeneinander liegenden Bereichen das Siliziumsubstrat aufgeschmolzen werden, um dort die Dotierung durchführen zu können. Mit dem erfindungsgemäßen optischen System ist es nun möglich, mehrere Bereiche dort, wo die Kontaktfinger aufgebracht werden sollen, gleichzeitig durch die nebeneinander liegenden Teilstrahlen aufzuschmelzen. Dadurch, dass die Lage der Teilstrahlen zueinander veränderbar ist, kann dasselbe optische System für unterschiedlich dimensionierte Solarzellen eingesetzt werden. Außerdem kann eine Justage erfolgen, wenn z. B. in einem vorhergehenden Prozess gewisse Toleranzen nicht eingehalten wurden. Das optische System ist vorzugsweise an einem Bearbeitungskopf angeordnet, der während der Bearbeitung eines Substrats ortsfest angeordnet ist. Ein zu bearbeitendes Substrat kann relativ zum Bearbeitungskopf bewegt werden.
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Besondere Vorteile ergeben sich, wenn zumindest einer der Strahlteiler zumindest einer Kaskade unbewegbar angeordnet ist. Die Position des durch diesen Strahlteiler erzeugten Teilstrahls kann demnach nicht verändert werden. Er kann somit als Referenz dienen und der Abstand bzw. die Lage der anderen Teilstrahlen kann relativ zur Lage des Teilstrahls dieses Strahlteilers eingestellt werden. Auch eine Kalibrierung des optischen Systems ist dadurch möglich.
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Wenn in Strahlrichtung gesehen der erste Strahlteiler zumindest einer Kaskade unbewegbar angeordnet ist, können sämtliche nachfolgenden Strahlteiler bewegbar angeordnet sein und relativ zum ersten Strahlteiler ausgerichtet werden. Wenn mehrere Kaskaden vorgesehen sind, kann jede Kaskade einen unbewegbaren Strahlteiler aufweisen. Dabei kann in jeder Kaskade der erste Strahlteiler unbewegbar sein. Es ist jedoch ausreichend, insbesondere wenn mehrere Kaskaden hintereinander angeordnet sind, wenn lediglich eine Kaskade (an beliebiger Position) einen Strahlteiler aufweist, der unbewegbar ist. Sämtliche anderen bewegbaren Strahlteiler können dann relativ zu diesem Strahlteiler bzw. der Lage des Teilstrahls dieses Strahlteilers eingestellt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung können mehrere Kaskaden von Strahlteilern vorgesehen sein. Dies hat den Vorteil, dass weniger unterschiedliche Strahlteiler verwendet werden müssen, um das optische. System aufzubauen. In beiden Kaskaden können dieselben Strahlteiler verwendet werden. Würde für die gleiche Anzahl von Teilstrahlen nur eine Kaskade verwendet, so müsste für jeden Teilstrahl ein Strahlteiler mit unterschiedlichem Teilungsverhältnis eingesetzt werden.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die verstellbaren Strahlteiler über einen motorischen Antrieb verstellbar sind. Dadurch lässt sich die Verstellung der Lage der Teilstrahlen automatisieren. Zudem ist eine motorische Verstellung unter Umständen sehr viel genauer als eine manuelle Verstellung. Außerdem können bei motorischen Antrieben sämtliche Motoren gleichzeitig für eine Verstellung angesteuert werden und müssen die Strahlteiler nicht nacheinander verstellt werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann eine Sensoranordnung zur Erfassung der Lage der Teilstrahlen vorgesehen sein. Dadurch ist eine Kontrolle möglich, ob die Teilstrahlen die gewünschte Lage aufweisen. Das erfindungsgemäße optische System ist insbesondere dafür vorgesehen, Teilstrahlen zu erzeugen, die einen Abstand ≤ 20 mm aufweisen. Jeder Teilstrahl kann dabei in einem Bereich +/–2 mm verstellbar sein.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sensoranordnung zur Erfassung der Lage der Teilstrahlen mit einer die Antriebe der verstellbaren Strahlteiler ansteuernden Regelung und/oder Steuerung verbunden ist. Beispielsweise kann eine bereits vorher in ein Substrat eingebrachte Spur mit einem Sensor erfasst und verfolgt und bei Abweichungen der Spur von einer Soll-Lage kann die Lage der Teilstrahlen nachgeführt werden. Außerdem können auf diese Art und Weise systembedingte Toleranzen gegenseitig kompensiert werden. Die von den Teilstrahlen bearbeiteten Bereiche können somit exakt positioniert und somit auf vorausgehende oder nachfolgende Prozessschritte ausgerichtet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann eine der Kaskade vorgeordnete Strahlformungsanordnung vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Strahlformungsanordnung ein oder mehrere diffraktive optische Elemente aufweisen, um beispielsweise die Intensität des Strahls gleichmäßig zu verteilen. Dadurch kann die Strahlenergie fast vollständig ausgenutzt werden.
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Weiterhin kann ein der Kaskade vorgeordneter Strahlteiler vorgesehen sein, der einen Strahl auf zwei Kaskaden oder auf eine Kaskade und einen weiteren zumindest einer weiteren Kaskade vorgeordneten Strahlteiler aufteilt. Dadurch kann ein Laserstrahl auf mehrere Kaskaden aufgeteilt werden. Hieraus kann sich ein kompakterer Aufbau des optischen Systems ergeben.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Strahlteiler zumindest einer Kaskade jeweils ein festes (Strahl-)Teilungsverhältnis aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass das optische System sehr kompakt aufgebaut werden kann. Zusätzliche optische Komponenten zur Einstellung des Teilungsverhältnisses können eingespart werden.
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Alternativ kann es jedoch vorgesehen sein, dass die Strahlteiler zumindest einer Kaskade jeweils ein einstellbares Teilungsverhältnis aufweisen. Beispielsweise kann das Teilungsverhältnis mit einem λ/2-Plättchen variabel eingestellt werden. In diesem Fall werden vorzugsweise polarisierende Strahlteiler eingesetzt. Werden dagegen Strahlteiler mit festem Teilungsverhältnis eingesetzt, sind die Strahlteiler vorzugsweise nicht polarisierende Strahlteiler.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
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In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines optischen Systems;
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2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems.
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Die 1 zeigt ein optisches System 10, dem ein Laserstrahl 11 von einem hier nicht dargestellten Lasergenerator zugeführt wird. Der Laserstrahl 11 gelangt durch ein optisches Element 12 auf einen Spiegel 13, wo er umgelenkt und einem Strahlaufweiter 14 zugeführt wird. Der aufgeweitete Laserstrahl 11' wird im Ausführungsbeispiel einer Strahlformungsanordnung 16, die hier lediglich ein diffraktives optisches Element aufweist, zugeführt. Im Ausführungsbeispiel wird hier der Laserstrahl 11' zum Zwecke der Strahloptimierung auf eine große Zahl (hier 27) identischer Teilstrahlen, die einen kleinen Winkel zueinander aufweisen, aufgeteilt. Das so entstandene Strahlenbündel 15, welches jedoch immer noch einen Laserstrahl im Sinne der Erfindung darstellt, wird über zwei Spiegel 17, 18 wiederum umgelenkt und einer Kaskade 19 zugeführt. Im Ausführungsbeispiel weist die Kaskade 19 acht Strahlteiler 20–27 auf. An den Strahlteilern 20–26 wird ein Teil des einfallenden Strahls reflektiert und nach unten abgelenkt und ein Teil des Strahls 15 durchgelassen. Am Strahlteiler 27 erfolgt schließlich eine hundertprozentige Reflektion, sodass auch hier lediglich ein Teilstrahl erzeugt wird. Der Strahlteiler 27 ist somit eigentlich ein Reflektor, wird aber im Sinne der Erfindung als Strahlteiler betrachtet.
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Auf diese Weise entstehen im Ausführungsbeispiel acht Teilstrahlen 28–35, die über Linsen 36–43 auf eine Brennebene 44 geleitet werden. Dabei weisen alle Teilstrahlen 28–35 in der Brennebene 44 den Abstand X auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind alle Strahlteiler 20–27 um eine Drehachse, die parallel zur Brennebene 44 ausgerichtet ist, drehbar angeordnet. Durch Drehen der Strahlteiler 20–27 lässt sich somit die Lage der Teilstrahlen 28–35 in der Brennebene 44 verändern. Beispielsweise kann durch Drehen des Strahlteilers 20 der Teilstrahl 28 in die Doppelpfeilrichtung Y bewegt werden.
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Vorzugsweise ist die Kaskade 19 so eingerichtet, dass die Teilstrahlen einen Abstand im Bereich 15–20 mm in der Brennebene 44 aufweisen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Teilstrahlen 28–35 in Doppelpfeilrichtung Y +/– 2 mm verstellbar sind.
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Das optische System 10 kann weiterhin eine Sensoranordnung 45 aufweisen, mit der die Strahlform und -lage jedes einzelnen Teilstrahls 28–35 vermessen werden kann. Durch die Vermessung der Teilstrahlen 28–35 kann z. B. festgestellt werden, ob die Strahlformungsanordnung 16 richtig funktioniert. Weiterhin kann dadurch festgestellt werden, ob die Teilstrahlen 28–35 die korrekte Lage aufweisen. Durch eine Rückführung der Messergebnisse auf eine hier nicht dargestellte Regelungseinrichtung, die ebenfalls nicht dargestellte Antriebe der Strahlteiler 20–27 ansteuern kann, kann auch die Lage der Teilstrahlen 28–35 geregelt werden.
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In der Ausführungsform eines optischen Systems 50 gemäß 2 wird ein Laserstrahl 51 zu einer Strahlformungsanordnung 54 umgelenkt, wo ebenfalls eine Aufteilung in identische Teilstrahlen erfolgt. Der so entstandene Strahl bzw. das Strahlbündel 55 gelangt zu einem Strahlteiler 56. 50% der Strahlung wird durchgelassen und gelangt zum Spiegel 57. Die andere Hälfte der Strahlung wird am Strahlteiler 56 reflektiert und einer Kaskade 58 aus Strahlteilern 59–62 zugeführt. An dem Strahlteiler 59 wird 75% der einfallenden Strahlung reflektiert und gelangt dadurch zum Strahlteiler 60. Die verbleibenden 25% der Strahlung werden durchgelassen und bilden den Teilstrahl 63. Im Strahlteiler 60 werden 33% der hier ankommenden Strahlung reflektiert und nach unten abgelenkt, wodurch der Teilstrahl 64 entsteht. Die verbleibenden 67% der Strahlung werden weitergeleitet zum Strahlteiler 61, wo 50% der Strahlung reflektiert wird und den Teilstrahl 65 bildet. Die zweite Hälfte der Strahlung wird durchgelassen und gelangt zum Strahlteiler 62, der 100% reflektiert und dadurch den Teilstrahl 66 bildet.
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Die Strahlteiler 60, 61, 62 sind um eine Achse parallel zur Brennebene 67 zumindest begrenzt verdrehbar. Der Strahlteiler 59 ist starr, also unbewegbar, angeordnet. Der Teilstrahl 63 hat somit immer dieselbe Lage bzw. Position in der Brennebene 67. Der Teilstrahl 63 kann damit als Referenz genommen werden und die Lage der Teilstrahlen 64, 65, 66 kann relativ zum Teilstrahl 63 eingestellt werden, indem die Strahlteiler 60, 61, 62 um eine Drehachse parallel zur Brennebene 67 bzw. parallel zur jeweiligen Strahlteilerebene verdreht werden. Dabei können Motoren vorgesehen sein, über die die Strahlteiler 60, 61, 62 verstellbar sind.
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Von dem Spiegel 57 gelangt ein Teilstrahl zum Spiegel 68, wo er erneut umgelenkt wird und von dort einer zweiten Kaskade 69 mit den Strahlteilern 70–73 zugeführt wird. Der Strahlteiler 70 ist zu 25% reflektierend und zu 75% durchlässig. Dies bedeutet, dass 75% des vom Spiegel 68 kommenden Strahls durchgelassen werden und zum Strahlteiler 71 gelangen, während 25% des Strahls nach unten abgelenkt werden und den Teilstrahl 74 bilden. Am Strahlteiler 71 werden 33% der Strahlung reflektiert und als Teilstrahl 75 nach unten abgelenkt, während 67% durchgelassen werden. Am Strahlteiler 72 werden 50% der Strahlung durchgelassen und 50% als Teilstrahl 76 abgelenkt. Der Strahlteiler 73 ist wieder vollständig reflektierend, sodass die gesamte ankommende Strahlung nach unten als Teilstrahl 77 abgelenkt wird. Die Strahlteiler 70–73 sind um eine Achse parallel zur Brennebene 67 drehbar angeordnet. Obwohl zwei Kaskaden vorgesehen sind, ist es ausreichend, wenn der Strahlteiler 59 starr angeordnet ist. Die Teilstrahlen 74, 75, 76, 77 können ebenfalls zum Teilstrahl 63 ausgerichtet werden. Das Vorsehen von zwei Kaskaden hat den Vorteil, dass in den zwei Kaskaden identische Strahlteiler verwendet werden können. So sind die Strahlteiler 60 und 71 gleich, die Strahlteiler 61 und 72 entsprechen sich, genauso wie die Strahlteiler 62 und 73. Auch bei einer Ausführungsform gemäß der 2 sind Linsen 78–85 zur Fokussierung der Teilstrahlen 63–66 und 74–77 vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 11347775 A [0002]
- US 5798867 [0003]
- EP 1738402 B1 [0007]
