DE102015215645A1

DE102015215645A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erwärmung eines Objekts und Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung

Info

Publication number: DE102015215645A1
Application number: DE102015215645.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas König; Andreas Vogel
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2015-08-17
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2035-08-18
Also published as: DE102015215645B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (11) zur Erwärmung eines Objekts (51) durch Bestrahlen in einem Bestrahlungsbereich (52), umfassend: eine Strahlquelle (12) zur Erzeugung eines Strahls (15) mit einem ersten Strahlprofil (16), eine Strahlführungseinrichtung (20) zur Führung des Strahls (15) von der Strahlquelle (12) zu dem Bestrahlungsbereich (52), wobei die Strahlführungseinrichtung (20) eine Strahlformungsoptik (24) zur Umformung des ersten Strahlprofils (16) in ein zweites, einstellbares Strahlprofil (17) aufweist, eine erste Messeinrichtung (31) zur ortsaufgelösten Vermessung des mittels der Strahlformungsoptik (24) eingestellten zweiten Strahlprofils (17), eine zweite Messeinrichtung (32) zur insbesondere ortsaufgelösten Erfassung einer Temperatur (TI) des Objekts (51), sowie eine Steuerungseinrichtung (35) zur Ansteuerung der Strahlformungsoptik (24) und/oder der Strahlquelle (12) in Abhängigkeit von dem ortsaufgelöst vermessenen zweiten Strahlprofil (17) und/oder von der erfassten Temperatur (TI) zur Erzeugung einer Soll-Temperaturverteilung (TS) in dem Bestrahlungsbereich (52) des Objekts (51). Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung (60) zur Oberflächenbehandlung eines Objekts (51), welche eine Behandlungseinrichtung (66) zur Behandlung einer Oberfläche (55) des Objekts (51), eine Prozesskammer (61) mit einer Halteeinrichtung (62) zur Halterung des Objekts (51) bei der Behandlung der Oberfläche (55) sowie eine Vorrichtung (11) wie oben beschrieben zur Erwärmung des Objekts (51) umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erwärmung eines Objekts durch Bestrahlen in einem Bestrahlungsbereich. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Objekts mit einer Vorrichtung zur Erwärmung des Objekts in dem Bestrahlungsbereich.
Bei Prozessen zur Oberflächenbehandlung wie Erwärmen, Einbrennen, Aufdampfen, Verdampfen/Ablation, Härten, Glühen etc. kommen neben herkömmlichen Wärmequellen wie Widerstandsheizungen oder UV-Lampen seit einiger Zeit auch verbreitet Strahlquellen wie z. B. Laser zum Einsatz, um ein Objekt (z. B. aus Metall, Glas, einem Halbleiter, ...) auf eine prozessrelevante Temperatur zu erwärmen und typischer Weise über längere Zeit auf dieser Temperatur zu halten. Besonders bei Anwendungen mit hohen Temperaturen oder in feindlicher Atmosphäre bietet diese Art der Erwärmung den Vorteil einer verschleißfreien Heizung.
Aus der EP1847632B1 ist eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats mittels so genannter „Pulsed Laser Deposition” (PLD) bekannt geworden, bei welcher zur Herstellung eines ZnO-Films des p-Typs an einer Oberfläche eines Substrats ein Target-Material, welches Zink und Sauerstoff enthält, mittels einer Hochenergiequelle, die einen gepulsten Piko- oder Femtosekunden-Laser aufweist, in einer Vakuum-Kammer bestrahlt wird. Bei der Bestrahlung wird das Target-Material verdampft oder abgetragen, um Hochtemperatur-Dampf und/oder ein Plasma zu erzeugen, die auf dem Substrat abgeschieden werden, um einen ZnO-Film zu bilden. Eine Wärmequelle dient zum Tempern des ZnO-Films, um einen ZnO-Film des p-Typs zu erzeugen. Das Tempern des Films erfolgt nach dem Abscheiden und kann in der Vakuum-Kammer erfolgen.
Aus der Praxis ist es zudem bekannt, Laserheizungen mit einem Laserstrahl zu betreiben, der ein möglichst homogenes Strahlprofil aufweist, um eine möglichst homogene Temperaturverteilung an einem Objekt zu erzeugen. Bei CO₂-Lasern, welche typischer Weise Laserstrahlung mit einem Gauss-förmigen Strahlprofil erzeugen, kann das Gauss-förmige Strahlprofil in ein homogenisiertes, so genanntes „Top-Hat” bzw. „Flat-Top” Strahlprofil umgewandelt werden, was üblicherweise durch einen Strahlhomogenisierer erreicht wird.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, welche es ermöglichen, eine vorgegebene, insbesondere homogene Soll-Temperaturverteilung in einem zu erwärmenden Bestrahlungsbereich eines Objekts zu erzeugen, sowie eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung mit einer solchen Vorrichtung bereitzustellen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Objekts durch Bestrahlen in einem Bestrahlungsbereich gelöst, umfassend: eine Strahlquelle zur Erzeugung eines Strahls, insbesondere eines Laserstrahls, mit einem ersten Strahlprofil, eine Strahlführungseinrichtung zur Führung des Strahls von der Strahlquelle zu dem Bestrahlungsbereich, wobei die Strahlführungseinrichtung eine Strahlformungsoptik zur Umformung des ersten Strahlprofils in ein zweites, einstellbares Strahlprofil aufweist, eine erste Messeinrichtung zur ortsaufgelösten Vermessung des mittels der Strahlformungsoptik eingestellten zweiten Strahlprofils, eine zweite Messeinrichtung zur insbesondere ortsaufgelösten Erfassung einer Temperatur des Objekts, insbesondere in dem Bestrahlungsbereich, sowie eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Strahlformungsoptik und/oder der Strahlquelle in Abhängigkeit von dem ortsaufgelöst vermessenen zweiten Strahlprofil und/oder von der erfassten Temperatur zur Erzeugung einer Soll-Temperaturverteilung in dem Bestrahlungsbereich des Objekts.
Es hat sich gezeigt, dass sich bei Bestrahlung eines Objekts in einem Bestrahlungsbereich mit einem Strahl mit homogenem Strahlprofil, beispielsweise mit einem Laserstrahl, nicht zwingend eine homogene Temperaturverteilung in dem Objekt bzw. in dem Bestrahlungsbereich einstellt. So kann sich z. B. bei einem Bestrahlungsbereich, der nicht die gesamte Oberfläche des Objekts umfasst, am Rand des Bestrahlungsbereichs eine niedrigere Temperatur einstellen, da Wärme in die umliegenden, nicht bestrahlten Objektbereiche transportiert wird. Ebenso kann auch ein Objektträger an den Randbereichen oder in der Mitte des Bestrahlungsbereichs, abhängig von den Kontaktbereichen, zu einer inhomogenen Wärmeabfuhr und somit zu einer inhomogenen Temperaturverteilung in dem Objekt bzw. in dem Bestrahlungsbereich führen, auch wenn dieser mit einem homogenen Strahlprofil bestrahlt wird.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Strahlformungsoptik vorzusehen, durch welche das (erste) Strahlprofil des aus der Strahlungsquelle kommenden Rohstrahls in ein zur Erzeugung der Soll-Temperaturverteilung günstiges, einstellbares (zweites) Strahlprofil transformiert werden kann. So kann bei einer gleichmäßigen Wärmeabfuhr im Objekt bzw. in dem Bestrahlungsbereich z. B. ein homogenes Strahlprofil („top hat” bzw. „flat top”) eingesetzt werden, bei einer erhöhten Wärmeabfuhr im Zentrum des Bestrahlungsbereichs kann z. B. ein verbreitertes Gauss-förmiges oder Besselstrahl-förmiges Strahlprofil erzeugt werden, und bei einer erhöhten Wärmeabfuhr an den Rändern des Bestrahlungsbereichs kann ein Strahlprofil, das z. B. einem inversen Gaußstrahl angenähert wird, oder ein Bi-Modales Strahlprofil eingesetzt werden.
In den häufigsten Anwendungsfällen soll bei der Bestrahlung eine Soll-Temperaturverteilung am Objekt eingestellt werden, bei welcher Temperaturdifferenzen im Bestrahlungsbereich nur in radialer Richtung auftreten. Zur Erreichung einer solchen in Umfangsrichtung homogenen Temperaturverteilung ist in der Regel die Umwandlung des typischer Weise radialsymmetrischen ersten Strahlprofils der Strahlquelle in ein zweites, ebenfalls radialsymmetrisches Strahlprofil ausreichend. Eine solche Umwandlung hat den Vorteil, dass die Strahlformungseinheit mit wenigen optischen Komponenten aufgebaut werden kann, da sich radialsymmetrische Strahlprofile einfacher erzeugen lassen als komplexe, nicht radialsymmetrische Intensitätsverteilungen. Die einstellbare bzw. steuerbare Strahlformungsoptik kann nur refraktive optische Elemente aufweisen, es ist aber auch möglich, dass die Strahlformungsoptik ein oder mehrere diffraktive oder reflektive optische Elemente (ggf. zusätzlich zu refraktiven optischen Elementen) aufweist.
Eine Strahlformungsoptik in Form eines refraktiven achromatischen optischen Systems mit mehreren Linsen aus Materialien mit unterschiedlichen Dispersionskoeffizienten zur Transformation eines z. B. Gauss-förmigen Strahlprofils in ein Top-Hat Strahlprofil ist in der US 8023206 B2 beschrieben, welche durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Die dort beschriebene Strahlformungsoptik weist mindestens eine erste und eine zweite Linsengruppe auf. Eine solche Strahlformungsoptik lässt sich durch Änderung der Ausleuchtung der strahlformenden Linsengruppe mit Hilfe einer Änderung des Strahldurchmessers des auf die zweite Linsengruppe auftreffenden Strahls dazu nutzen, ein Top-Hat-Strahlprofil ggf. mit einer Überhöhung der Intensität im Zentrum oder an den Rändern des zweiten, umgewandelten Strahlprofils zu erzeugen.
Anwendungen, bei denen sich unter Bestrahlung mit einem radialsymmetrischen Strahlprofil eine unsymmetrische Temperaturverteilung im Bestrahlungsbereich einstellt, können zur Erzeugung einer homogenen Soll-Temperaturverteilung komplexere, unsymmetrische Strahlprofile erfordern. So kann sich z. B. bei einer Bewegung des Bestrahlungsbereichs relativ zum Objekt entlang von dessen Oberfläche eine Temperaturverteilung mit außermittigem Maximum einstellen, da die Oberfläche in Bewegungsrichtung vor dem Bestrahlungsbereich kühler ist als die bereits erwärmte Oberfläche in Bewegungsrichtung hinter dem Bestrahlungsbereich. Zudem ist es auch möglich, dass sich aufgrund der Objektbeschaffenheit des Objekts inhomogene Temperaturverteilungen ausbilden. In diesen Fällen müssen ggf. komplexere Strahlformungseinrichtungen zum Einsatz kommen, welche zur Erzeugung unsymmetrischer (zweiter) Strahlprofile geeignet sind. Neben komplexen Linsen- und/oder Spiegelsystemen ist hierzu auch der Einsatz eines MEMS(Microelectromechanical System)-Spiegel-Arrays, eines SLM(Spatial Light Modulator)s und/oder von diffraktiven optischen Elementen möglich.
Während der Erwärmung des Objekts wird das zweite Strahlprofil durch die erste Messeinrichtung ortsaufgelöst vermessen. Gleichzeitig wird die Temperatur des Objekts, insbesondere ortsaufgelöst in dem Bestrahlungsbereich, durch eine zweite Messeinrichtung erfasst. Die erfassten Werte werden an die Steuerungseinrichtung weitergegeben, welche mit einem Auswertealgorithmus eine Abweichung der insbesondere ortsaufgelöst erfassten Ist-Temperatur in dem Bestrahlungsbereich von einer Soll-Temperaturverteilung ermittelt und in Abhängigkeit von der Abweichung die Leistung der Strahlquelle und/oder die Strahlformungsoptik geeignet ansteuert bzw. regelt, um die Soll-Temperaturverteilung zu erzeugen. Dabei kann die Steuerung entweder anhand von Berechnungen Korrekturwerte zur Ansteuerung ermitteln, oder diese aus einer Technologietabelle entnehmen, in welcher auch Objektparameter hinterlegt sein können. Anhand des ortsabhängig vermessenen zweiten Strahlprofils und anhand der Temperatur des Objekts, die an einem Ort, z. B. im Zentrum des Bestrahlungsbereichs, oder ortsaufgelöst, z. B. in dem gesamten Bestrahlungsbereich, erfasst wird, kann ein zweites Strahlprofil bzw. dessen Intensitätsverteilung sowie die absolute Leistung der Strahlquelle errechnet oder den Technologietabellen entnommen werden, welche es ermöglichen, die Soll-Temperaturverteilung in dem Bestrahlungsbereich zu erzeugen.
Während der Erwärmung kann der Bestrahlungsbereich auf der Oberfläche des Objekts ortsfest sein oder der Bestrahlungsbereich kann relativ zum Objekt über dessen bestrahlte Oberfläche bewegt werden.
Die Steuerungseinrichtung ist vorteilhaft als Real-Time-Rechner ausgeführt, mit welchem eine schnelle Steuerung bzw. Regelung mit Regelfrequenzen von bis zu 10 kHz möglich ist, wodurch sich Temperaturwechsel im Bereich von z. B. 50°C/Sekunde bis 800°C/Sekunde erreichen lassen. Eine Anpassung an eine gewünschte Soll-Temperaturverteilung ist somit sehr schnell und dynamisch möglich.
Zur Erfassung der Temperatur des Objekts können zweite Messeinrichtungen in Form von Kontaktmesseinrichtungen wie z. B. Thermoelementen oder PT-100-Elementen, oder auch berührungslose Messeinrichtungen wie z. B. Pyrometer oder Thermografiekameras eingesetzt werden. Um die (absolute) Temperatur des Objekts anhand des von der Thermografiekamera aufgenommenen Wärmebildes zu bestimmen, kann eine Absolutkalibrierung durchgeführt bzw. der Emissionsgrad des Objekts bestimmt werden. Die Erfassung der Temperatur des Objekts, genauer gesagt der Temperatur in dem Bestrahlungsbereich, mittels der zweiten Messeinrichtung erfolgt vorzugsweise koaxial zum Strahl bzw. zur Strahlachse des Strahls, der auf den Bearbeitungsbereich ausgerichtet ist. Für die koaxiale Erfassung der Temperatur kann der Beobachtungsstrahlengang der zweiten Messeinrichtung beispielsweise über einen Strahlteiler in den Strahlengang des auf das Objekt ausgerichteten Strahls eingekoppelt werden.
Zur Erzeugung der Soll-Temperaturverteilung ist es notwendig, die Temperatur des Objekts zumindest an einem Ort des Objekts zu erfassen, der bevorzugt in dem Bestrahlungsbereich liegt. In der Regel wird die Temperatur zumindest über eine Messstrecke, die bei einem runden Bestrahlungsbereich dem Radius des Bestrahlungsbereichs entspricht, bestimmt, um den Einfluss des (rotationssymmetrischen) zweiten Strahlprofils auf die (rotationssymmetrische) Ist-Temperaturverteilung des Objekts ermitteln zu können. Die Temperatur kann bevorzugt über eine Messfläche in dem Bestrahlungsbereich erfasst werden, was insbesondere bei einer nicht rotationssymmetrischen Soll-Temperaturverteilung günstig ist. Die Qualität der Messdaten steigt, je Größer die erfasste Strecke bzw. Fläche ist und ist am größten bei der Erfassung des gesamten Bestrahlungsbereichs, d. h. wenn sich die Messfläche über den gesamten Bestrahlungsbereich erstreckt.
Die Temperatur kann gemittelt über die Messstrecke oder Messfläche, oder bevorzugt als ortsaufgelöste Temperaturverteilung erfasst werden. Bei Verwendung eines einzigen gemittelten Temperaturwerts können zur Steuerung der Strahlungsleistung und des zweiten Strahlprofils von der Steuerungseinrichtung z. B. auch Objektparameter des zu bestrahlenden Objekts aus einer Objektbibliothek abgerufen werden. Es kann auch zur Erfassung des Wärmeleitverhaltens des Objekts eine initiale Bestrahlung mit definierten Leistungen und verschiedenen Strahlprofilen mit gleichzeitiger ortsabhängiger Temperatur- und Strahlprofilmessung durchgeführt werden, die in einer Objektbibliothek abgespeichert und bei der Bestrahlung von gleichartigen Objekten ausgelesen werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Messeinrichtung eine für den Strahl der Strahlquelle empfindliche Kamera, z. B. eine hochdynamische pyroelektrische Halbleiterarraykamera. Mit einer solchen Kamera kann das Strahlprofil während der Erwärmung genau und schnell erfasst werden, wodurch eine schnelle Steuerung bzw. Regelung ermöglicht wird. Mittels der Kamera können anhand des gemessenen Strahlprofils auch Strahlparameter wie Strahldurchmesser und Strahllage (relativ zum Bestrahlungsbereich) erfasst werden, die zum Einjustieren der Vorrichtung oder ggf. in der Steuerungseinrichtung zur Steuerung bzw. zur Regelung der Vorrichtung verwendet werden können.
Zur Vermessung des zweiten, transformierten Strahlprofils kann z. B. zwischen der Strahlformungsoptik und dem Objekt ein Strahlteiler vorgesehen sein, welcher die Strahlungsleistung des Strahls mit dem zweiten Strahlprofil in einen Arbeitsstrahlungsanteil und einen Messstrahlungsanteil aufteilt. Dabei kann die Strahlungsleistung so aufgeteilt werden, dass der Messstrahlungsanteil weniger als 5% der Gesamt-Leistung, insbesondere weniger als 1% der Gesamt-Leistung des Strahls aufweist. Außerdem kann vor der ersten Messeinrichtung ein Abschwächer vorgesehen sein, um die Leistung weiter auf ein für die erste Messeinrichtung ungefährliches Niveau zu reduzieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Messeinrichtung dazu ausgebildet, die Temperatur des Objekts, insbesondere in dem Bestrahlungsbereich, berührungslos zu erfassen. Zur berührungslosen Erfassung kann z. B. ein Pyrometer oder auch eine Thermografiekamera verwendet werden, welche platzsparend z. B. über einen Strahlteiler in den optischen Pfad eingekoppelt werden können. Berührungslose Temperaturmesselemente sind üblicherweise weit weniger verschleißanfällig als Kontakttemperaturmesselemente. Zudem erfordern berührungslose Messeinrichtungen keinen zusätzlichen Bauraum am Objekt oder dem Objekthalter.
Durch eine ortsaufgelöste Messung der Temperatur kann eine genaue Ist-Temperaturverteilung im Bestrahlungsbereich aufgenommen werden. Durch das genaue ortsaufgelöste Temperaturprofil kann die Steuerungseinrichtung die Strahlformungseinrichtung beispielsweise so ansteuern, dass ein zweites Strahlprofil erzeugt wird, dessen Intensitätsmaxima im Bestrahlungsbereich den Minima im Ist-Temperaturprofil entsprechen und umgekehrt, d. h. es wird vorteilhafterweise ein zweites Strahlprofil erzeugt, das dem inversen Ist-Temperaturprofil des Bestrahlungsbereichs entspricht, um dort eine möglichst homogene Soll-Temperaturverteilung zu erzeugen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Messeinrichtung eine Infrarotkamera zur ortsaufgelösten Erfassung einer Temperatur des Bestrahlungsbereichs des Objekts. Mit einer Infrarotkamera kann die gesamte Fläche des Bestrahlungsbereichs gleichzeitig mit Messfrequenzen im Bereich von 1 kHz in einem hohen Temperaturbereich von bis zu 2000°C erfasst werden, wodurch eine sehr schnelle Reaktion auf Abweichungen der erfassten Ist-Temperaturverteilung von der Soll-Temperaturverteilung ermöglicht wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlquelle ein Laser, insbesondere ein CO₂-Laser. Laserstrahlung lässt sich aufgrund der scharfen Bündelung und hohen Kohärenz sehr gut transportieren und formen. Aufgrund dieser Eigenschaften lässt sich zudem eine hohe Tiefenschärfe bei der Abbildung des Strahls erreichen, d. h. die Leistungsverteilung kann über längere Strecken von z. B. bis zu 50 mm konstant gehalten werden, wodurch z. B. beim Aufbau von Strukturen keine Nachführung der Bearbeitungsebene notwendig ist, sofern eine Abbildung einer Ebene im Strahlengang des Laserstrahls, auf das Objekt erfolgt.
Aufgrund des großen Spektrums verschiedener Wellenlängen, die durch unterschiedliche Laserquellen erzeugt werden können, kann ein auf das Absorptionsverhalten des Objektmaterials abgestimmter Laser ausgewählt und eingesetzt werden. Die von einem CO₂-Laser ausgesandte Strahlung mit Wellenlängen von 9,3 μm oder 10,6 μm ist besonders geeignet zur Erwärmung vieler Materialien, insbesondere von Dielektrika wie z. B. SrTiO₃ oder SiO₂, die Laserstrahlung bei diesen Wellenlängen, aber nicht bei geringeren Wellenlängen absorbieren. Es versteht sich, dass für die Bestrahlung von Objekten aus anderen, beispielsweise metallischen Materialien, andere Laser, beispielsweise Festkörperlaser, insbesondere Diodenlaser, Faserlaser etc. eingesetzt werden können, die Laserstrahlung mit kleineren Wellenlängen erzeugen.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Strahlformungsoptik eine Strahlaufbereitungsoptik zur Einstellung eines Strahldurchmessers des Strahls mit dem ersten Strahlprofil sowie eine Strahltransformationsoptik zur Transformation des Strahls mit dem eingestellten Strahldurchmesser in das zweite Strahlprofil auf. Durch die Einstellung des Strahldurchmessers des Strahls mit dem ersten Strahlprofil kann bei geeignet ausgebildeter Strahltransformationsoptik das zweite Strahlprofil eingestellt werden, ohne dass zu diesem Zweck die Strahltransformationsoptik selbst eingestellt bzw. auf diese eingewirkt werden muss.
Bei einer Weiterbildung ist die Strahlaufbereitungsoptik als Strahlteleskop zur Veränderung eines Strahldurchmessers des Strahls der Strahlquelle ausgebildet, welches ein adaptives optisches Element zur Einstellung eines Öffnungswinkels des Strahls umfasst. Durch das adaptive optische Element kann der Öffnungswinkel des Strahls, der aus dem Strahlteleskop austritt, eingestellt werden, so dass dieser das Strahlteleskop kollimiert, konvergent oder divergent verlässt. Das adaptive optische Element kann insbesondere als adaptiver Spiegel (mit einstellbarer Krümmung) ausgebildet sein, beispielsweise als Spiegel, wie er in der EP 1 424 584 beschrieben ist, die durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Durch die Einstellung des Öffnungswinkels des Strahls kann der Strahldurchmesser des Strahls mit dem ersten Strahlprofil, der auf die im Strahlweg folgende Strahltransformationsoptik trifft, eingestellt werden. Gegebenenfalls kann für die Einstellung des Strahldurchmessers des Strahls, der in die Strahltransformationsoptik eintritt, der Abstand zwischen der Strahlaufbereitungsoptik bzw. dem Strahlteleskop und der Strahltransformationsoptik verändert werden. Durch das adaptive optische Element können auch durch eine Erwärmung der optischen Komponenten eventuell auftretende Fehler z. B. bei der Kollimation des Strahls kompensiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Strahlführungseinrichtung eine zwischen der Strahlformungsoptik und dem Objekt angeordnete, typischer Weise abbildende Zoom-Optik auf. Durch die Zoom-Optik kann das durch die Strahlformungsoptik erzeugte zweite Strahlprofil in entsprechender Größe auf den Bestrahlungsbereich abgebildet werden. Wenn die Größe des Bestrahlungsbereichs während der Oberflächenbehandlung nicht geändert werden muss, kann der Strahldurchmesser mittels der Zoom-Optik ggf. auf einen festen Wert eingestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zoom-Optik mit mindestens einer verschiebbaren Linse ausgebildet. Durch die Verschiebung der Linse kann der Abbildungsmaßstab der Zoom-Optik, die beispielsweise als Kepler-Teleskop ausgebildet sein kann, eingestellt und somit der Strahldurchmesser des Laserstrahls mit dem zweiten Strahlprofil an den Durchmesser des Bestrahlungsbereichs angepasst werden. Die Zoom-Optik kann ebenso wie weitere ggf. in der Strahlführungseinrichtung vorhandene optische Elemente in Abhängigkeit von dem ortsabhängig vermessenen zweiten Strahlprofil und/oder von der temperaturabhängigen Kenngröße gesteuert bzw. geregelt werden. Die Steuerung bzw. Regelung der Zoom-Optik kann aber auch aufgrund von Prozessparametern erfolgen, die von der jeweiligen Anwendung abhängig sind. Es sind z. B. Anwendungsfälle möglich, bei denen der Bestrahlungsbereich relativ zum Objekt über dessen Oberfläche bewegt wird und gleichzeitig in seiner Größe geändert wird, um eine bessere Anpassung an das Objekt zu ermöglichen. Die Verteilung der Anpassung verschiedener Strahlparameter auf verschiedene optische Komponenten ermöglicht es, diese gleichzeitig und zuverlässig ohne eine hochkomplexe Steuerung vorzunehmen.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Objekts umfassend: eine Behandlungseinrichtung zur Behandlung einer Oberfläche des Objekts, eine Prozesskammer mit einer Halteeinrichtung zur Halterung des Objekts bei der Behandlung der Oberfläche, sowie eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art zur Erwärmung des Objekts durch Bestrahlen des Objekts in dem Bestrahlungsbereich. Bei Oberflächenbehandlungsprozessen, z. B. beim Einbrennen, Aufdampfen, Verdampfen/Ablation, Härten, Glühen, ... der Oberfläche des Objekts wird die Qualität der Oberflächenbehandlung besonders durch die Wärmeverteilung des zu behandelnden Objekts beeinflusst. So ist z. B. bei der Beschichtung eines Substrats mit einem kristallinen Film eine sehr homogene Wärmeverteilung notwendig, welche sich durch die weiter oben beschriebene Vorrichtung sehr gut einstellen lässt. Weitere Anwendungen der Vorrichtung sind beispielsweise Oberflächenbehandlungsprozesse wie das Abtragen von Schichten von Objekten in Form von Solarpanels, das Erwärmen und/oder Biegen von Glas, etc. Die Anwendung der Vorrichtung zur Erwärmung des Objekts ist nicht auf Oberflächenbehandlungsprozesse beschränkt, da diese beispielsweise auch in der Werkstückbearbeitung z. B. zur Bearbeitung von Blechen oder dergleichen eingesetzt werden kann. Der Bestrahlungsbereich kann in diesem Fall beispielsweise relativ zum Werkstück bewegt werden und z. B. zur Vorwärmung des Werkstücks bzw. eines zu bearbeitenden Bereichs des Werkstücks unmittelbar vor der Bearbeitung dienen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung ist der Bestrahlungsbereich an einer der zu behandelnden Oberfläche abgewandten Seite (Rückseite) des Objekts gebildet. Viele Oberflächenbehandlungen erfordern eine gute Zugänglichkeit der zu behandelnden Oberfläche, um z. B. ein Material aufzubringen oder abzutragen. Durch eine Bestrahlung an einer der zu behandelnden Oberfläche abgewandten Seite kann eine gute Zugänglichkeit sichergestellt werden. Bei der Bestrahlung der Rückseite des Objekts kommt der Strahl nicht mit dem aufzubringenden bzw. abzutragenden Material in Kontakt, so dass eine Wechselwirkung zwischen dem Strahl und dem Material verhindert werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung weist die Prozesskammer zur Einkopplung des Strahls in die Prozesskammer ein Einkoppelfenster und bevorzugt eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung der Temperatur und/oder der Streulichtintensität des Einkoppelfensters auf. Durch das Einkoppelfenster kann in der Prozesskammer eine definierte Atmosphäre geschaffen werden, die sich nicht in die Vorrichtung zum Erwärmen des Objekts erstreckt, so dass diese nicht durch in der Prozesskammer vorhandene Materialien geschädigt wird. Eine Temperaturüberwachung bzw. eine Überwachung der Streulichtintensität des Einkoppelfensters erlaubt Rückschlüsse auf die Verschmutzung oder Schädigung des Einkoppelfensters. Wenn die gemessene Temperatur oder Streulichtintensität einen Sollwert übersteigt, zeigt dies eine unzulässige Verschmutzung oder Schädigung an und die Überwachungseinrichtung kann z. B. ein Umlenken oder Abschalten des Strahls veranlassen. So kann ein Versagen des Einkoppelfensters und eine damit verbundene mögliche Schädigung der Vorrichtung zur Erwärmung des Objekts frühzeitig erkannt und verhindert werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erwärmen eines Objekts, umfassend die Schritte: Erzeugen eines Strahls mit einem ersten Strahlprofil in einer Strahlquelle, Umformen des ersten Strahlprofils in ein zweites, einstellbares Strahlprofil in einer Strahlformungseinrichtung, Zuführen des Strahls mit dem zweiten Strahlprofil zu einem Bestrahlungsbereich des Objekts, ortsaufgelöstes Vermessen des zweiten Strahlprofils, Erfassen einer Temperatur des Objekts (insbesondere ortsaufgelöst) sowie Ansteuern der Strahlquelle und/oder der Strahlformungsoptik in Abhängigkeit von dem ortsaufgelöst vermessenen zweiten Strahlprofil und/oder von der erfassten Temperatur zur Erzeugung einer Soll-Temperaturverteilung in dem Bestrahlungsbereich des Objekts. Bezüglich der Vorteile des Verfahrens sei auf die weiter oben erfolgte Beschreibung der Vorrichtung verwiesen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Objekts mit einer Vorrichtung zur Erwärmung des Objekts durch Bestrahlen in einem Bestrahlungsbereich;
2 eine Intensitätsverteilung eines Top-Hat-Strahlprofils;
3 eine Intensitätsverteilung eines Strahlprofils mit überhöhtem Randbereich;
4 eine Intensitätsverteilung eines Strahlprofils mit überhöhtem Zentrum.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Vorrichtung 60 zur Oberflächenbehandlung eines Objekts 51 in Form einer „Pulsed Laser Deposition”(PLD)-Beschichtungsanlage, die eine Vorrichtung 11 zur Erwärmung des Objekts 51 in einem (kreisförmigen) Bestrahlungsbereich 52 aufweist. Die Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung 60 weist eine Prozesskammer 61 in Form einer Vakuum-Kammer auf, in welcher das Objekt 51 auf einer Halteeinrichtung 62 gelagert ist. Im gezeigten Beispiel bildet das Objekt 51 ein Substrat, auf dem eine (nicht gezeigte) Beschichtung aufgebracht wird. Die Vorrichtung 60 zur Oberflächenbehandlung weist eine Behandlungseinrichtung 66 auf, die ein Target-Material umfasst, das mittels eines nicht bildlich dargestellten, gepulsten Laserstrahls verdampft bzw. abgetragen wird, wobei sich typischer Weise ein Plasma in der Prozesskammer 61 bildet. Das verdampfte Target-Material wird auf einer Oberfläche 55 des Objekts/Substrats 51 abgeschieden. Der Bestrahlungsbereich 52 ist im gezeigten Beispiel an einer der zu behandelnden Oberfläche 55 abgewandten Seite (Rückseite) des Objekts 51 angeordnet, wodurch eine gute Zugänglichkeit der der Behandlungseinrichtung 66 zugewandten Oberfläche 55 erreicht wird. Die Halteeinrichtung 62 weist in dem Bestrahlungsbereich 52 eine Öffnung auf, durch die hindurch die Bestrahlung des Objekts 51 erfolgt. Bei dem Material des Objekts 51 kann es sich beispielsweise um SrTiO₃ handeln.
Die Vorrichtung 11 zur Bestrahlung des Objekts 51 umfasst eine Strahlquelle 12, die einen Strahl 15 erzeugt. Der Strahl 15 wird mittels einer Strahlführungseinrichtung 20 zu dem Bestrahlungsbereich 52 auf dem Objekt 51 geführt. Im vorliegenden Beispiel ist die Strahlquelle 12 ein CO₂-Laser, der einen Strahl in Form eines Laserstrahls 15 mit einer Wellenlänge von 9,3 μm erzeugt. Der Laserstrahl 15 hat beim Verlassen der Strahlquelle 12 ein erstes Strahlprofil 16 (Intensitätsprofil), das einem Gaussprofil entspricht (TEM00, TEM01, TEM10 oder Multimode). Bei anderen Strahlquellen kann das Ausgangsstrahlprofil bzw. das erste Strahlprofil auch eine gänzlich andere räumliche Verteilung haben, so erzeugen Diodenlaser, die ggf. ebenfalls als Strahlquelle 12 eingesetzt werden können, z. B. ein im Wesentlichen homogenes Linienprofil.
Durch eine Strahlformungsoptik 24 wird das erste Strahlprofil 16 in ein zweites, einstellbares Strahlprofil 17 umgeformt. Der Laserstrahl 15 trifft in der Strahlformungsoptik 24 zunächst auf eine Strahlaufbereitungsoptik 41, welche beispielhaft als Spiegelteleskop ausgeführt ist. Das Teleskop 41 ist aus zwei (gekrümmten) Spiegeln 42, 43 gebildet, von denen der zweite Spiegel als adaptiver Spiegel 43 ausgebildet ist, dessen Krümmung einstellbar ist. Für die Einstellung der Krümmung kann der adaptive Spiegel 43 durch ein Druckregelventil 75, welches von einer Steuerungseinrichtung 35 angesteuert wird, an seiner Rückseite mit einem Fluid, z. B. mit Wasser, beaufschlagt werden. Der adaptive Spiegel 43 kann beispielsweise wie in der EP1424584 ausgebildet sein. Durch das Teleskop 41 wird der Durchmesser D0 des aus der Strahlquelle 12 austretenden Strahls 15 verändert, im gezeigten Beispiel vergrößert. Es versteht sich, dass der Durchmesser D0 des aus der Strahlquelle 12 austretenden Strahls 15 durch das Teleskop 41 nicht vergrößert, sondern ggf. verkleinert werden kann.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel weist der adaptive Spiegel 43 eine Brechkraft auf, die so gewählt ist, dass der Laserstrahl 15 das Teleskop 41 kollimiert verlässt und mit einem veränderten Strahldurchmesser D1 auf eine im Strahlweg folgende Strahltransformationsoptik 25 auftrifft. Durch die Veränderung der Krümmung des adaptiven Spiegels 43 kann der Öffnungswinkel α des Laserstrahls 15 eingestellt werden, wobei für einen idealen, kollimierten Laserstrahl 15 α = 0° gilt.
Die Strahltransformationsoptik 25 ermöglicht es, aus einem ersten Strahlprofil 16 unterschiedliche zweite Strahlprofile 17 zu erzeugen. Die Strahltransformationsoptik 25 kann durch eine erste Einstelleinrichtung 28 (Antrieb) in ihrem Abstand zur Strahlaufbereitungsoptik in Form des Teleskops 41 verstellt werden. Die erste Linsengruppe 26 ist im gezeigten Beispiel ortsfest in der Strahltransformationsoptik 25 angeordnet, die zweite Linsengruppe 27 ist durch eine zweite Einstelleinrichtung 29 innerhalb der Strahltransformationsoptik 25 in Richtung des Strahlwegs des Laserstrahls 15 verschiebbar.
Das zweite Strahlprofil 17 wird je nach Ausleuchtung der Linsengruppen 26, 27 unterschiedlich stark transformiert. Zum Einstellen des zweiten Strahlprofils 17 können je nach Umfang der gewünschten Transformation die Strahltransformationsoptik 25 in ihrem Abstand zur Strahlaufbereitungsoptik in Form des Teleskops 41 oder durch eine Änderung des Strahldurchmessers D1 des ersten Strahlprofils 16 mit Hilfe des adaptiven Spiegels 43 verstellt werden. Wird mit Hilfe des adaptiven Spiegels 43 des Teleskops 41 ein konvergenter oder divergenter Laserstrahl 15 erzeugt, kann durch die Veränderung des Abstands der Linsengruppen 26, 27 zueinander ein wieder kollimiertes zweites Strahlprofil 17 eingestellt werden.
Drei zweite Strahlprofile 17, welche bei unterschiedlichen auf die Strahltransformationsoptik 25 auftreffenden Strahldurchmessern D1, D2, D3 von der Strahlformungsoptik 24 erzeugt werden, sind in 2 bis 4 dargestellt.
2 zeigt ein Beispiel für die Intensitätsverteilung (Int.) eines zweiten Strahlprofils 17 in Form eines Top-Hat Strahlprofils in Abhängigkeit von der radialen Koordinate R. Das in 2 gezeigte Strahlprofil 17 kann z. B. erzeugt werden, wenn die Strahltransformationsoptik 25 so angeordnet ist, dass die Strahltransformationsoptik 25 durch einen Laserstrahl 15 mit dem Durchmesser D1 beleuchtet wird. Wie weiter oben dargestellt wurde, weist in diesem Fall der adaptive Spiegel 43 eine Krümmung auf, die so gewählt ist, dass der Laserstrahl 15 das Teleskop 41 kollimiert verlässt. 3 zeigt ein Beispiel für ein zweites Strahlprofil 17 mit überhöhten Randbereichen, welches z. B. erzeugt werden kann, wenn die Strahltransformationsoptik 25 durch einen Laserstrahl 15 mit einem Durchmesser D2 > D1 beleuchtet wird. 4 zeigt ein Beispiel für ein zweites Strahlprofil 17 mit überhöhtem Zentrum, welches z. B. erzeugt werden kann, wenn die Strahltransformationsoptik 25 durch einen Laserstrahl 15 mit einem Durchmesser D3 < D1 beleuchtet wird.
Die Strahlführungseinrichtung 20 weist auch eine zwischen der Strahlformungsoptik 24 und dem Objekt 51 angeordnete Zoom-Optik 45 auf, welche im Beispiel als Kepler-Teleskop ausgebildet ist. Die Zoom-Optik 45 umfasst im gezeigten Beispiel zwei Linsen 46, 47, welche jeweils mit einer Einstelleinrichtung 48, 49 (Aktor bzw. Stellmotor) versehen sind, um diese entlang der Strahlachse des Laserstrahls 15 zu verschieben. Im Zwischenfokus des Kepler-Teleskops bildet sich ein Zwischenstrahlprofil 18, was z. B. mit einer nicht dargestellten Blende dazu genutzt werden kann, um unerwünschte Anteile des Strahlprofils 17 auszufiltern. Durch die Zoom-Optik 45 kann zudem das mithilfe der Strahlformungsoptik 24 eingestellte Strahlprofil 17 aufgeweitet und an die Größe des Bestrahlungsbereichs 52 angepasst werden, so dass der Laserstrahl 15 am Objekt 51 mit dem zweiten Strahlprofil 17 mit einem Strahldurchmesser D4 auftrifft, welcher dem Durchmesser des Bestrahlungsbereichs 52 entspricht.
Der Durchmesser des Bestrahlungsbereichs 52 ist typischer Weise prozessbedingt vorgegeben, so dass der Strahldurchmesser D4 am Objekt 51 auch bei temperaturbedingten Veränderungen der optischen Elemente in der Strahlführungseinrichtung 20 konstant gehalten werden sollte, wozu ggf. der Abbildungsfaktor der Zoom-Optik 45 zeitabhängig verändert werden muss. Die Zoom-Optik 45 kann beispielsweise ausgebildet sein, aus dem Strahldurchmesser D1 des Laserstrahls 15 am Austritt der Strahltransformationsoptik 25, der z. B. bei ca. 10 mm liegen kann, einen Strahldurchmesser D4 in dem Bestrahlungsbereich 52 einzustellen, der zwischen ca. 10 mm und ca. 30 mm liegt. Zusätzlich oder alternativ zur automatischen Verschiebung durch die Einstelleinrichtungen 48, 49 können die beiden Linsen 46, 47 der Zoom-Optik 45, die beispielweise auf einer Führungsschiene angebracht bzw. geklemmt sind, ggf. stufenlos manuell entlang der Strahlachse des Laserstrahls 15 verschoben werden. Eine Aufweitung des Laserstrahls 15 kann alternativ oder zusätzlich z. B. mit einem Galilei-Teleskop oder durch die Strahlformungsoptik 24 selbst erfolgen. Die Zoom-Optik 45 kann ggf. mehr als zwei Linsen 46, 47 aufweisen.
Die Vorrichtung 60 zur Oberflächenbehandlung weist an einem Zugang zur Prozesskammer 61 ein Einkoppelfenster 63 mit einer Überwachungseinrichtung 64 zur Überwachung der Temperatur des Einkoppelfensters 63 (hier: ZnSe-Fenster) auf. Eine weitere Steuerungseinrichtung 38 wertet die Messwerte der Überwachungseinrichtung 64 aus und betätigt bei Überschreiten eines Grenzwerts der Temperatur eine Sicherheitseinrichtung 65, welche im Beispiel als schaltbare Strahlfalle, genauer gesagt als schaltbare Umlenkeinrichtung in Kombination mit einem Absorber ausgebildet ist. Beim Aktivieren der Sicherheitseinrichtung 65 wird der Laserstrahl 15 zum Absorber umgelenkt, so dass das Einkoppelfenster 63 nicht weiter erwärmt bzw. aufgeheizt wird. Auf diese Weise kann ein Versagen des Einkoppelfensters 63 und eine damit verbundene mögliche Schädigung der Vorrichtung 11 zur Erwärmung des Objekts 51 verhindert werden. Die weitere Steuerungseinrichtung 38 kann bereits vor Erreichen des Grenzwerts der Temperatur z. B. mittels einer nicht dargestellten Visualisierungseinrichtung einen Bediener über den Verschmutzungsgrad des Einkoppelfensters 63 informieren. Alternativ oder zusätzlich kann die weitere Steuerungseinrichtung 38 ein Signal an die Steuerungseinrichtung 35 der Vorrichtung 11 zur Erwärmung des Objekts 51 geben, oder in diese integriert sein. Die Sicherheitseinrichtung 65 kann auch zur Durchführung von Dauertests bzw. für die Justage der Vorrichtung 11 aktiviert werden und/oder als Sicherheitsverschluss dienen. Alternativ oder zusätzlich zur Überwachung der Temperatur des Einkoppelfensters 63 kann die Überwachungseinrichtung 64 ausgebildet sein, andere Kenngrößen für den Verschmutzungsgrad des Einkoppelfensters 63 zu überwachen, beispielsweise die Intensität von an dem Einkoppelfenster 63 erzeugtem Streulicht.
Zur Vermessung des zweiten Strahlprofils 17 mit dem angepassten Strahldurchmesser D4 nach der Zoom-Optik 45 wird aus dem Laserstrahl 15 an einem Strahlteiler 22 in der Strahlführungseinrichtung 20 ein Messstrahl 82 ausgekoppelt, wobei der Messstrahl 82 typischer Weise weniger als 1% der gesamten Strahlintensität des Laserstrahls 15 aufweist. Der Strahlteiler 22 ist im gezeigten Beispiel zwischen der Zoom-Optik 45 und dem zu bestrahlenden Objekt 51 angeordnet. Alternativ kann der Strahlteiler 22 an einer beliebigen Stelle in der Strahlführungseinrichtung 20 nach der Strahlformungsoptik 24 angeordnet sein, um den Messstrahl 82 auszukoppeln.
Der Messstrahl 82 mit dem transformierten zweiten Strahlprofil 17 wird über Strahlführungselemente 72, 73 einer ersten Messeinrichtung 31 zugeführt, welche im gezeigten Beispiel als eine hochdynamische pyroelektrische Halbleiterarraykamera ausgebildet ist, die das zweite Strahlprofil 17 mit hoher Ortsauflösung und schnell erfasst. Aus dem zweiten Strahlprofil 17 können zum Einjustieren der Vorrichtung 11 bzw. zur online-Korrektur der Strahlführung der Strahldurchmesser D4 und die Strahllage in Bezug auf einen Referenznullpunkt bestimmt werden. Um die Messeinrichtung in Form der pyroelektrischen Kamera 31 vor zu hohen Strahlintensitäten zu schützen, welche diese schädigen könnten, ist im Strahlengang vor der Kamera 31 ein Abschwächer 23 angeordnet. Bei dem ersten Strahlführungselement 72 im Strahlengang des Messstrahls 82 handelt es sich um einen Umlenkspiegel, bei dem zweiten Strahlführungselement 73 um eine Keilplatte. Die Keilplatte 73 wirkt gemeinsam mit einem Absorber 76 als optischer Isolator und verhindert, dass Rückreflexionen des Messstrahls 82 von der Kamera 31 oder von dem Absorber 23 zurück in den Strahlengang des Laserstrahls 15 gelangen und dort z. B. die Umwandlung der Strahlprofile 16, 17 negativ beeinflussen.
Eine zweite Messeinrichtung 32, welche im Beispiel als Thermografiekamera ausgebildet ist, misst die (Ist-)Temperatur T_I des Objekts 51 im Bestrahlungsbereich 52 durch die Erfassung von durch das erwärmte Objekt 51 ausgesandter Infrarotstrahlung 85. Die Messeinrichtung 32 erfasst ortsaufgelöst die Temperatur T_I des gesamten Bestrahlungsbereichs 52 mit Messfrequenzen im Bereich von 1 kHz in einem Temperaturbereich bis zu ca. 2000°C.
Die zweite Messeinrichtung 32 bzw. deren Beobachtungsstrahlengang wird im gezeigten Beispiel vorteilhaft über denselben Strahlteiler 22 in die Vorrichtung 11 eingekoppelt, der auch den Messstrahl 82 aus dem Laserstrahl 15 auskoppelt. Dies ist bei der hier beschriebenen berührungslosen Temperaturmessung besonders vorteilhaft, da durch die gemeinsame Strahlachse des Laserstrahls 15 und der gemessenen Infrarotstrahlung 85 eine Zuordnung der Temperaturverteilung zum Bestrahlungsbereich 52 ohne eine Transformation von Daten erfolgen kann. Eine berührungslose Temperaturmessung ist alternativ zur gezeigten koaxialen Messung auch unter einem Winkel zur Strahlachse des Laserstrahls 15 möglich. In diesem Fall kann die zweite Messeinrichtung 32 alternativ z. B. in bzw. angrenzend zur Prozesskammer 61 angeordnet sein.
Die erste Messeinrichtung 31 und die zweite Messeinrichtung 32 übertragen Messsignale an die Steuerungseinrichtung 35, welche im gezeigten Beispiel als Real-Time-Rechner ausgeführt ist, mit welchem eine schnelle Steuerung und/oder Regelung mit Regelfrequenzen von bis zu 10 kHz möglich ist. Die Steuerungseinrichtung 35 ist im gezeigten Beispiel dazu ausgebildet, die Einstellelemente 28, 29 der Strahltransformationsoptik 25, die Einstellelemente 48, 49 der Zoom-Optik 45, das Druckregelventil 75 des adaptiven Spiegels 43, wie auch die Strahlquelle 12 (ggf. über eine weitere Steuerungseinrichtung) zur Einstellung von deren Leistung anzusteuern. Die Messergebnisse der ersten Messeinrichtung 31 und der zweiten Messeinrichtung 32 können durch ein Ausgabegerät 36 z. B. in Form eines Monitors visualisiert werden. Des Weiteren können ein nicht dargestelltes Eingabegerät und weitere Sensoren und Aktoren an die Steuerungseinrichtung 35 angeschlossen sein. Zudem können in der Steuerungseinrichtung 35 Technologietabellen mit verschiedenen die Vorrichtung 11 zur Erwärmung des Objekts 51 oder das Objekt 51 selbst betreffenden Parametern hinterlegt sein.
Wie weiter oben beschrieben wurde, wird zum Erwärmen des Objekts 51 der Laserstrahl 15 mit dem hinsichtlich des Strahldurchmessers D4 eingestellten zweiten Strahlprofil 17 auf den Bestrahlungsbereich 52 des Objekts 51 gerichtet. Die erste Messeinrichtung 31 und die zweite Messeinrichtung 32 übermitteln Messdaten über das ortsaufgelöst vermessene zweite Strahlprofil 17 bzw. die ortsaufgelöst erfasste Temperatur T_I an die Steuerungseinrichtung 35, welche in Abhängigkeit von den Messdaten die Einstellelemente 28, 29 der Strahlformungsoptik 24, die Einstellelemente 48, 49 der Zoom-Optik 45, das Druckregelventil 75 des adaptiven Spiegels 43, und die Strahlungsquelle 12 (zur Einstellung der Gesamtleistung) ansteuert, um eine Soll-Temperaturerteilung T_S in dem Bestrahlungsbereich 52 des Objekts 51 zu erzeugen. Die Steuerungseinrichtung 35 vergleicht zu diesem Zweck die mittels der zweiten Messeinrichtung 32 gemessene Ist-Temperaturverteilung T_I in dem Bestrahlungsbereich 52 mit der Soll-Temperaturverteilung T_S und steuert die in der Vorrichtung 11 vorhandenen Aktoren (s. o.) so an, dass das zweite Strahlprofil 17 eine Intensitätsverteilung aufweist, welches geeignet ist, die Ist-Temperatur T_I in dem Bestrahlungsbereich 52 an die Soll-Temperatur T_S anzunähern.
Ist eine homogene Erwärmung des Objekts 51 auf eine über den Bestrahlungsbereich 52 konstante Temperatur T_I beabsichtigt, die bei der vorliegenden Anwendung beispielsweise bis zu ca. 1400°C betragen kann, so muss das zweite Strahlprofil 17 in seiner ortsabhängigen Verteilung mittels der Strahlformungsoptik 24 sowie in seiner Gesamt-Intensität mittels der von der Strahlquelle 12 erzeugten Gesamt-Leistung abhängig von der Wärmeleitung in dem Objekt 51 und/oder abhängig von anderen Effekten wie thermisch bedingten Brechzahländerungen in den optischen Elementen der Strahlführungseinrichtung 20 so angepasst werden, dass im Bestrahlungsbereich 52 eine homogene Ist-Temperatur T_I erzeugt wird, die mit der Soll-Temperatur T_s übereinstimmt. Durch die hohe Regelungsfrequenz der Steuerungseinrichtung 35 kann die Temperatur T_I ortsaufgelöst im Bereich von 50°C/Sekunde bis 800°C/Sekunde geändert werden.
Liegen keine Eingangsparameter über das Objekt 51, insbesondere über die Wärmeleitung des Objekts 51 vor, welche eine Startanpassung des zweiten Strahlprofils 17 ermöglichen, kann die Bestrahlung zunächst mit einem homogenen Strahlprofil gemäß 2 begonnen werden. Die Steuerungseinrichtung 35 steuert die Strahlformungseinrichtung 24 nachfolgend so an, dass ein zweites Strahlprofil 17 erzeugt wird, dessen Intensitätsmaxima auf die Minima im Temperaturprofil in dem Bestrahlungsbereich 52 ausgerichtet werden und umgekehrt, d. h. es wird ein zweites Strahlprofil 17 erzeugt, das im Wesentlichen dem Inversen des von der zweiten Messeinrichtung 32 gemessenen Ist-Temperaturprofils T_I des Bestrahlungsbereichs 52 entspricht. Sollte z. B. eine Verteilung der Ist-Temperatur T_I gemessen werden, bei welcher die Temperatur T_I in den Randbereichen kühler als im Zentrum des Bestrahlungsbereichs 52 ist, wird der Laserstrahl 15 zu einem zweiten Strahlprofil 17 gemäß 3 transformiert. Sollte z. B. eine Verteilung der Ist-Temperatur T_I gemessen werden, bei welcher die Temperatur T_I im Zentrum kühler als in den Randbereichen des Bestrahlungsbereichs 52 ist, wird der Laserstrahl 15 zu einem zweiten Strahlprofil 17 gemäß 4 transformiert. Die (radiale) Intensitätsverteilung des zweiten Strahlprofils 17 lässt sich dabei mit der im Beispiel verwendeten Strahlformungseinrichtung 24 variabel (in bestimmten Grenzen) auf die (radiale) Verteilung der Temperatur T_I in dem Bestrahlungsbereich 52 anpassen. Alternativ zur in 1 gezeigten Strahlformungseinrichtung 24 kann eine Strahlformungseinrichtung 24 eingesetzt werden, die es erlaubt, auch komplexe unsymmetrische Strahlprofile zu erzeugen. Wie weiter oben beschrieben, kann neben der Intensitäts- bzw. Leistungsverteilung des zweiten Strahlprofils 17 auch die Gesamtleistung der Strahlquelle 12 bzw. das absolute Leistungsniveau des zweiten Strahlprofils 17 mit Hilfe der Steuerungseinrichtung 35 eingestellt werden, um die gewünschte Soll-Temperaturverteilung T_S an dem Objekt 51 zu erzeugen.
Während der Erwärmung kann der Bestrahlungsbereich 52 als eine auf dem Objekt 51 ruhende Fläche ausgebildet sein, oder der Bestrahlungsbereich 52 kann relativ zum Objekt 51 über dessen Oberfläche bewegt werden. Zu diesem Zweck kann das Objekt 51 quer zum Laserstrahl 15 bewegt werden und/oder der Laserstrahl 15 kann mittels einer geeigneten, beispielsweise scannenden Optik über das Objekt 51 bewegt werden. Zudem kann mithilfe der Zoom-Optik 45 die Größe des Bestrahlungsbereichs 52 während der Erwärmung verändert werden. Die hierfür erforderlichen Parameter können an die Steuerungseinrichtung 35 übermittelt werden, welche nötige Anpassungen des zweiten Strahlprofils 17 zumindest teilweise bereits im Voraus berechnen kann. So wird z. B. bei einer Bewegung des Bestrahlungsbereichs 52 zur Erzeugung einer homogenen Temperaturverteilung typischer Weise eine höhere Intensität am der Bewegungsrichtung zugewandten Rand des Bestrahlungsbereichs 52 notwendig sein. Zur Auswertung der Messsignale kann die Steuerungseinrichtung 35 auch Objektparameter, die Eigenschaften des Objekts 51 enthalten, aus einer Objektbibliothek abrufen und verwerten.
Die Strahlführungseinrichtung 20 kann beispielsweise in Form einer optischen Bank ausgebildet sein, an der die Strahlformungsoptik 24, die Zoom-Optik 45 sowie der Strahlteiler 22 über (nicht gezeigte) mechanische Ausgleichselemente so aufgenommen sind, dass eine Justage der jeweiligen optischen Elemente 22, 26, 27, 46, 47 vorgenommen werden kann, um den Laserstrahl 15 sowohl bezüglich der Position seiner Strahlmitte bzw. Strahlachse als auch bezüglich der Ausrichtung seiner Strahlachse zur Strahlführungseinrichtung 20 derart einzustellen, dass der Laserstrahl 15 senkrecht auf den (in der Regel planen) Bestrahlungsbereich 52 des Objekts 51 auftrifft und die Strahlmitte des Laserstrahls 15 mit der Mitte des Bestrahlungsbereichs 52 übereinstimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1847632 B1 [0003]
US 8023206 B2 [0010]
EP 1424584 [0026, 0042]

Claims

Vorrichtung (11) zur Erwärmung eines Objekts (51) durch Bestrahlen in einem Bestrahlungsbereich (52), umfassend: eine Strahlquelle (12) zur Erzeugung eines Strahls (15) mit einem ersten Strahlprofil (16), eine Strahlführungseinrichtung (20) zur Führung des Strahls (15) von der Strahlquelle (12) zu dem Bestrahlungsbereich (52), wobei die Strahlführungseinrichtung (20) eine Strahlformungsoptik (24) zur Umformung des ersten Strahlprofils (16) in ein zweites, einstellbares Strahlprofil (17) aufweist, eine erste Messeinrichtung (31) zur ortsaufgelösten Vermessung des mittels der Strahlformungsoptik (24) eingestellten zweiten Strahlprofils (17), eine zweite Messeinrichtung (32) zur insbesondere ortsaufgelösten Erfassung einer Temperatur (T_I) des Objekts (51), sowie eine Steuerungseinrichtung (35) zur Ansteuerung der Strahlformungsoptik (24) und/oder der Strahlquelle (12) in Abhängigkeit von dem ortsaufgelöst vermessenen zweiten Strahlprofil (17) und/oder von der erfassten Temperatur (T_I) zur Erzeugung einer Soll-Temperaturverteilung (T_S) in dem Bestrahlungsbereich (52) des Objekts (51).
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die erste Messeinrichtung eine für den Strahl (15) der Strahlquelle (12) empfindliche Kamera (31) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die zweite Messeinrichtung (32) ausgebildet ist, die Temperatur (T_I) des Objekts (51) berührungslos zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die zweite Messeinrichtung eine Infrarotkamera (32) zur ortsaufgelösten Erfassung einer Temperatur (T_I) des Bestrahlungsbereichs (52) des Objekts (51) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Strahlquelle ein Laser, insbesondere ein CO₂-Laser (12), ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Strahlformungsoptik (24) eine Strahlaufbereitungsoptik (41) zur Einstellung eines Strahldurchmessers (D1, D2, D3) des Strahls (15) mit dem ersten Strahlprofil (16) sowie eine Strahltransformationsoptik (25) zur Transformation des Strahls (15) mit dem eingestellten Strahldurchmesser (D1, D2, D3) in das zweite Strahlprofil (17) auf.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei dem die Strahlaufbereitungsoptik als Strahlteleskop (41) zur Veränderung eines Strahldurchmessers (D0) des Strahls (15) der Strahlquelle (12) ausgebildet ist, welches ein adaptives optisches Element (43) zur Einstellung eines Öffnungswinkels (α) des Strahls (15) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Strahlführungseinrichtung (20) ein zwischen der Strahlformungsoptik (24) und dem Objekt (51) angeordnete, bevorzugt abbildende Zoom-Optik (45) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei dem die Zoom-Optik (45) mindestens eine verschiebbare Linse (46, 47) aufweist.
Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Objekts (51), umfassend: einer Behandlungseinrichtung (66) zur Behandlung einer Oberfläche (55) des Objekts (51), eine Prozesskammer (61) mit einer Halteeinrichtung (62) zur Halterung des Objekts (51) bei der Behandlung der Oberfläche (55), sowie eine Vorrichtung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erwärmung des Objekts (51) durch Bestrahlen des Objekts (51) in dem Bestrahlungsbereich (52).
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher der Bestrahlungsbereich (52) an einer der zu behandelnden Oberfläche (55) abgewandten Seite des Objekts (51) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei welcher die Prozesskammer (61) zur Einkopplung des Strahls (15) in die Prozesskammer (66) ein Einkoppelfenster (63) und bevorzugt eine Überwachungseinrichtung (64) zur Überwachung der Temperatur und/oder der Streulichtintensität des Einkoppelfensters (63) aufweist.
Verfahren zum Erwärmen eines Objekts (51), umfassend die Schritte: Erzeugen eines Strahls (15) mit einem ersten Strahlprofil (16) in einer Strahlquelle (12), Umformen des ersten Strahlprofils (16) in ein zweites, einstellbares Strahlprofil (17) in einer Strahlformungseinrichtung (24), Zuführen des Strahls (15) mit dem zweiten Strahlprofil (17) zu einem Bestrahlungsbereich (52) des Objekts (51), Ortsaufgelöstes Vermessen des zweiten Strahlprofils (17), Erfassen einer Temperatur (T_I) des Objekts (51), Ansteuern der Strahlquelle (12) und/oder der Strahlformungsoptik (24) in Abhängigkeit von dem ortsaufgelöst vermessenen zweiten Strahlprofil (17) und/oder von der erfassten Temperatur (T_I) zum Erzeugen einer Soll-Temperaturverteilung (T_S) in dem Bestrahlungsbereich (52) des Objekts (51).