DE102011080332A1

DE102011080332A1 - Laser array for processing substrate having laser beam, comprises laser beam source to generate laser beam, fiber-optic probe to couple laser beam in multimode optical fiber, and focusing optics to focus laser beam in working plane

Info

Publication number: DE102011080332A1
Application number: DE201110080332
Authority: DE
Inventors: Fred-Walter Deeg; Benjamin Bopp
Original assignee: Rofin Baasel Lasertech GmbH and Co KG
Current assignee: Rofin Baasel Lasertech GmbH and Co KG
Priority date: 2010-08-12
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2012-02-16

Abstract

The laser array comprises: a laser beam source (2) for generating a laser beam (L); a fiber-optic probe (4) for coupling the laser beam in a multimode optical fiber (6) whose fiber core comprises a cross-section different from a circular geometry; and focusing optics subordinated from the multimode optical fiber for focusing the laser beam in a working plane (8). The laser beam source is a solid state laser having a rod-shaped laser-active medium. The fiber core of the multimode optical fiber comprises a rectangular cross-section.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laseranordnung zum Bearbeiten eines Substrates mit einem Laserstrahl.The invention relates to a laser arrangement for processing a substrate with a laser beam.

Bei der Bearbeitung eines Substrates mit einem Laserstrahl ist in der Regel sowohl eine hohe Präzision als auch ein hoher Durchsatz, d. h. eine hohe Prozessgeschwindigkeit gefordert. Eine hohe Präzision sowie ein hoher Durchsatz, beispielsweise bei der Strukturierung von Halbleitersubstraten erfordert kleine Laserstrahldurchmesser in der Bearbeitungsebene bei zugleich großer zu bearbeitender Fläche, wobei die einzubringenden Strukturen in einer Vielzahl von Fällen geradlinig verlaufende Strukturkanten aufweisen.When processing a substrate with a laser beam is usually both a high precision and a high throughput, d. H. a high process speed required. High precision and high throughput, for example, in the structuring of semiconductor substrates requires small laser beam diameter in the working plane at the same time large surface to be machined, the structures to be introduced in a large number of cases have rectilinear structural edges.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Laseranordnung zum Bearbeiten eines Substrates mit einem Laserstrahl anzugeben, bei der eine Bearbeitung mit hoher Präzision bei zugleich hoher Prozessgeschwindigkeit erfolgen kann.The invention is based on the object of specifying a laser arrangement for processing a substrate with a laser beam, in which machining can be carried out with high precision at the same time as high process speed.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Laseranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen umfasst die Laseranordnung eine Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls und eine Einkoppeloptik zum Einkoppeln des Laserstrahls in eine Multimode-Lichtleitfaser, deren Faserkern eine von der kreisförmigen Geometrie abweichenden Querschnitt aufweist, d. h. nicht kreisrund ist. Eine der Multimode-Lichtleitfaser nachgeordnete Fokussieroptik dient zum Fokussieren des Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene.The above object is achieved according to the invention with a laser arrangement having the features of claim 1. According to these features, the laser arrangement comprises a laser beam source for generating a laser beam and a coupling optics for coupling the laser beam into a multimode optical fiber, the fiber core one of the circular geometry has a different cross-section, d. H. is not circular. One of the multimode optical fiber downstream focusing optics is used to focus the laser beam in a working plane.

Da der von der Laserstrahlquelle erzeugte Laserstrahl in einer Multimode-Lichtleitfaser zur Fokussieroptik transportiert wird, hat der am Ausgang dieser Multimode-Lichtleitfaser anstehende Laserstrahl ein sogenanntes Flattop- oder Tophat-Strahlprofil, dessen Querschnittsform der Querschnittsform des Faserkerns der Multimode-Lichtleitfaser entspricht, und das aufgrund der in der Multimode-Lichtleitfaser stattfindenden Modenmischung sehr steile Flanken aufweist. Auf diese Weise können durch Auswahl der Querschnittsform des Faserkerns Strahlprofile erzeugt werden, die an die jeweils zu erzeugende Struktur angepasst sind und auf diese Weise eine erhöhte Prozessgeschwindigkeit ermöglichen.Since the laser beam generated by the laser beam source is transported to the focusing optics in a multimode optical fiber, the laser beam present at the output of this multimode optical fiber has a so-called flattop or tophat beam profile whose cross-sectional shape corresponds to the cross-sectional shape of the fiber core of the multimode optical fiber, and has very steep edges due to the mode mixing occurring in the multimode optical fiber. In this way, by selecting the cross-sectional shape of the fiber core beam profiles can be generated, which are adapted to the respective structure to be generated and thus allow an increased process speed.

Als Laserstrahlquelle ist sowohl ein Grundmodelaser, beispielsweise ein Faserlaser, als auch eine Multimode-Laserstrahlquelle geeignet, die von vornherein einen Multimode-Laserstrahl erzeugt. Wesentlich ist lediglich, dass am Ausgang der Multimode-Lichtleitfaser zumindest durch eine in der Multimode-Lichtleitfaser stattfindende Modenmischung ein Multimode-Laserstrahl vorliegt.As a laser beam source, both a basic model laser, such as a fiber laser, and a multi-mode laser beam source is suitable, which generates a multimode laser beam from the outset. It is only essential that a multimode laser beam be present at the output of the multimode optical fiber at least through a mode mixture taking place in the multimode optical fiber.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele verwiesen. Es zeigen:For further explanation of the invention reference is made to the embodiments illustrated in the figures. Show it:

1 eine Laseranordnung gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung, 1 a laser arrangement according to the invention in a schematic schematic diagram,

2 einen schematischen Querschnitt durch eine Multimode-Lichtleitfaser mit quadratischem Faserkern, 2 a schematic cross section through a multimode optical fiber with square fiber core,

3 eine mit einem gepulsten Laserstrahl mit annähernd quadratischem Querschnitt auf einem Substrat erzeugte linienförmige Struktur, 3 a linear structure formed on a substrate with a pulsed laser beam of approximately square cross-section,

4 eine mit einem kreisscheibenförmigen Laserstrahl gemäß dem Stand der Technik erzeugte linienförmige Struktur auf einem Substrat, 4 a line-shaped structure formed on a substrate with a circular disk-shaped laser beam according to the prior art,

5 eine mit einem Laserstrahl mit rechteckigem Strahlprofil mit ungleichen Kantenlängen erzeugte linienförmige Struktur, 5 a line-shaped structure produced with a laser beam with a rectangular beam profile with unequal edge lengths,

6 ein Ausführungsbeispiel eines Laserstrahls mit einem L-förmigen Strahlprofil, der mit einer Multimode-Lichtleitfaser mit L-förmigen Faserkern erzeugt werden kann. 6 an embodiment of a laser beam with an L-shaped beam profile, which can be generated with a multimode optical fiber with L-shaped fiber core.

Gemäß 1 umfasst die Laseranordnung eine Laserstrahlquelle 2, beispielsweise ein Festkörperlaser mit einem stabförmigen laseraktiven Medium, die einen mehrmodigen Laserstrahl L mit kreisscheibenförmigen, kreissymmetrischen gaußförmigen Strahlprofil erzeugt. Der Laserstrahl L wird mit einer Einkoppeloptik 4 in eine Multimode-Lichtleitfaser 6 eingekoppelt, mit der er zum Bearbeitungsort transportiert wird. Der aus der Multimode-Lichtleitfaser 6 austretende Laserstrahl wird mit einer Fokussieroptik 7 in einer Bearbeitungsebene 8 fokussiert, die im Beispiel mit der Oberfläche eines zu bearbeitenden Substrates 10 zusammenfällt.According to 1 the laser arrangement comprises a laser beam source 2 For example, a solid-state laser with a rod-shaped laser-active medium, which generates a multi-mode laser beam L with circular disk-shaped, circularly symmetrical Gaussian beam profile. The laser beam L is provided with a coupling-in optical system 4 in a multimode optical fiber 6 coupled, with which it is transported to the processing site. The out of the multimode optical fiber 6 emerging laser beam is using a focusing optics 7 in a working plane 8th focused, which in the example with the surface of a substrate to be processed 10 coincides.

Der Faserkern der Lichtleitfaser 6 hat einen von der kreis(scheiben)förmigen Geometrie abweichenden Querschnitt, dessen Form die Form des Strahlprofils des in die Fokussieroptik 7 eingekoppelten Laserstrahls L und damit auch des in der Bearbeitungsebene 8 fokussierten Laserstrahls L bestimmt.The fiber core of the optical fiber 6 has a different from the circle (slices) shaped geometry cross-section whose shape the shape of the beam profile of the focusing optics 7 coupled laser beam L and thus also in the working plane 8th focused laser beam L determined.

Als Laserstrahlquelle ist anstelle einer an ihrem Ausgang einen Multimode-Laserstrahl bereitstellenden Laserstrahlquelle grundsätzlich auch eine Laserstrahlquelle geeignet, die einen nur eine oder wenige Moden umfassenden Laserstrahl bereitstellt. Darüber hinaus muss das Strahlprofil des von der Laserstrahlquelle erzeugten Laserstrahls auch nicht zwingend kreissymmetrisch sein.As a laser beam source, instead of a laser beam source providing a multimode laser beam at its output, a laser beam source which provides a laser beam comprising only one or a few modes is also suitable in principle. In addition, the beam profile of the laser beam generated by the laser beam source also does not necessarily have to be circularly symmetrical.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer zum Transport verwendeten Multimode-Lichtleitfaser mit einem Faserkern 12 mit quadratischem Querschnitt, der von einem Cladding 14 umgeben ist. 2 shows an embodiment of a used for transport multimode optical fiber with a fiber core 12 with square cross section, of a cladding 14 is surrounded.

Gemäß 3 ist in ein Substrat 10 eine linienförmige Struktur 14 mit einer Mehrzahl von einander sich in ihrem Randbereich überlappenden Laserstrahl-Brennflecken 16 eingebracht, die mit der Multimode-Lichtleitfaser gemäß 2 erzeugt worden sind, indem der Laserstrahl gepulst wird und Laserstrahl-Brennfleck 16 und Substrat 10 relativ zueinander bewegt werden, wobei ein Laserstrahl-Brennfleck 16 auch durch eine Mehrzahl von Laserstrahlpulsen erzeugt werden kann. Der Figur ist zu entnehmen, dass aufgrund der quadratischen Struktur der Laserstrahl-Brennflecken 16 eine Linie mit geradlinig verlaufenden Seitenkanten 17 erzeugt werden kann.According to 3 is in a substrate 10 a linear structure 14 with a plurality of laser beam focal spots overlapping one another in its edge region 16 incorporated with the multimode optical fiber according to 2 were generated by the laser beam is pulsed and laser beam focal spot 16 and substrate 10 be moved relative to each other, wherein a laser beam focal spot 16 can also be generated by a plurality of laser beam pulses. The figure shows that due to the square structure of the laser beam focal spots 16 a line with rectilinear side edges 17 can be generated.

Bei Verwendung eines gepulsten Laserstrahls mit kreisscheibenförmigen Strahlquerschnitt gemäß dem Stand der Technik ist, wie es der 4 zu entnehmen ist, zu erkennen, dass zum Erzeugen einer linienförmigen Struktur mit annähernd geradlinig verlaufenden Seitenkanten ein deutlich größerer Überlapp der einzelnen Laserstrahl-Brennflecken 18 erforderlich ist, so dass die Prozessgeschwindigkeit entsprechend verringert ist.When using a pulsed laser beam with circular-disk-shaped beam cross section according to the prior art, as is the 4 can be seen, to realize that to produce a linear structure with approximately rectilinear side edges a significantly larger overlap of the individual laser beam focal spots 18 is required, so that the process speed is reduced accordingly.

Im Ausführungsbeispiel der 5 ist eine auf dem Substrat 10 erzeugte linienförmige Struktur 14 dargestellt, die mit langgestreckten rechteckförmigen Laserstrahl-Brennflecken 20 erzeugt wird, deren Seitenverhältnis von 1 abweicht. In einer praktischen Ausführung wurde ein gütegeschalteter Nd:YAG Festkörperlaser (IR und grün) mit einer Pulsbreite von 40–200 ns bei einer Leistung von 20–300 W verwendet, dessen Laserstrahl in eine Multimode-Lichtleitfaser mit einem rechteckigen Faserkern aus Quarzglas mit den Abmessungen 150×300 μm, einem Durchmesser des Claddings von 660 μm und einer Länge von 10 m eingekoppelt wurde.In the embodiment of 5 is one on the substrate 10 generated linear structure 14 shown with elongated rectangular laser beam focal spots 20 is generated whose aspect ratio differs from 1. In a practical embodiment, a Q-switched Nd: YAG solid state laser (IR and green) with a pulse width of 40-200 ns at a power of 20-300 W was used, the laser beam into a multimode optical fiber with a rectangular fiber core of quartz glass with the dimensions 150 × 300 microns, a diameter of the cladding of 660 microns and a length of 10 m was coupled.

Eine weitere Möglichkeit, einen rechteckigen Strahlquerschnitt in der Bearbeitungsebene 8 zu erzeugen, dessen Seitenverhältnis von 1 abweicht, besteht darin, eine Multimode-Lichtleitfaser zu verwenden, deren Kern einen quadratischen Querschnitt aufweist, und den aus der Multimode-Lichtleitfaser austretenden Laserstrahl über zwei mit ihren Zylinderachsen senkrecht zueinander angeordnete Zylinderlinsen mit ungleichen Brennweiten auf die Bearbeitungsebene abzubilden.Another possibility, a rectangular beam cross section in the working plane 8th to produce, the aspect ratio of which differs from 1, is to use a multimode optical fiber whose core has a square cross section, and the laser beam emerging from the multimode optical fiber via two with their cylinder axes perpendicular to each other cylindrical lenses with unequal focal lengths on the working plane map.

Grundsätzlich können mit Hilfe einer Multimode-Lichtleitfaser je nach geometrischer Gestaltung des Faserkern-Querschnitts beliebig andere, von der kreisscheibenförmigen Gestalt abweichende Strahlprofile erzeugt werden. 6 zeigt beispielhaft einen Laserstrahl-Brennfleck 21, mit L-förmigem Strahlprofil 22.In principle, with the aid of a multimode optical fiber, depending on the geometric design of the fiber core cross section, any other beam profiles deviating from the circular disk shape can be generated. 6 shows an example of a laser beam focal spot 21 , with L-shaped beam profile 22 ,

Mit einem derartigen L-förmigen Laserstrahl kann beispielsweise eine treppen- bzw. zickzackförmig verlaufende Struktur erzeugt werden.With such an L-shaped laser beam, for example, a staircase or zigzag-shaped structure can be produced.

Claims

Laser arrangement for processing a substrate ( 10 ) with a laser beam (L), with a laser beam source ( 2 ) for generating a laser beam (L), with a coupling-in optical system ( 4 ) for coupling the laser beam (L) into a multimode optical fiber ( 6 ), whose fiber core ( 12 ) has a different cross-section from the circular geometry, and with one of the multimode optical fiber ( 6 ) Subsequent focusing optics ( 6 ) for focusing the laser beam (L) in a working plane ( 8th ).

Laser arrangement according to Claim 1, in which the laser beam source ( 2 ) A solid-state laser is provided with a rod-shaped laser-active medium.

Laser arrangement according to Claim 1 or 2, in which the fiber core ( 12 ) of the multimode optical fiber ( 6 ) has a rectangular cross-section.