DE102017215721A1

DE102017215721A1 - Laserbearbeitung großflächiger Substrate

Info

Publication number: DE102017215721A1
Application number: DE102017215721.6A
Authority: DE
Inventors: Anas Moalem; Andreas Braun
Original assignee: 4JET Microtech GmbH and Co KG
Current assignee: 4JET Microtech GmbH and Co KG
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2019-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nebst entsprechend eingerichteter Laseranlage zur Aufrechterhaltung mindestens einer Zustandsgröße bei der Laserbearbeitung eines Substrats 1 mit einer Laseranlage, die eine optische Anordnung 2 und eine Bewegungseinrichtung 3 umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße geregelt oder gesteuert wird. Eine besonders präzise und zuverlässige Laserbearbeitung von großflächigen Substraten kann so ermöglicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufrechterhaltung mindestens einer Zustandsgröße bei der Laserbearbeitung eines Substrats mit einer Laseranlage, die eine optische Anordnung und eine Bewegungseinrichtung umfasst, sowie eine Laseranlage, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist.
Großflächige Substrate wie z.B. ein Handydisplayglas oder eine Glasplatte zum Herausschneiden mehrere Handydisplaygläser weisen häufig eine Krümmung über die flächige Ausdehnung auf. Diese Krümmung stellt eine Herausforderung für einen Laserbearbeitungsprozess zum Herausschneiden eines Handydisplayglases aus der Glasplatte dar, weil z.B. sich die Strahlungseigenschaften des Laserstrahls an verschiedenen Stellen über die Länge des Laserstrahls normalerweise unterscheiden.
Ferner werden beispielsweise zum Herstellen eines Handydisplayglases eine Struktur in Form einer Bedruckung, Beschichtung und/oder Strukturierung für das Handydisplayglas in einem Arbeitsgang gleich für mehrere Handydisplaygläser nebeneinander auf eine großflächige Glasplatte eingebracht, bevor die einzelnen Handydisplaygläser durch einen Laser entlang einer Außenkontur der Struktur aus dieser Glasplatte herausgeschnitten werden. Die vorgelagerte Bearbeitung, also z.B. das Bedrucken, Beschichten und/oder Strukturieren, kann jedoch zu einer Verzerrung führen, was eine Herausforderung für einen Laserbearbeitungsprozess zum Herausschneiden eines Handydisplayglases aus der Glasplatte darstellt.
Die vorgenannten, aus dem Stand der Technik bekannten Merkmale können einzeln oder in beliebiger Kombination mit einem der nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Gegenstände kombiniert werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren nebst Vorrichtung bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe dienen ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Laseranlage gemäß dem Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Zur Lösung der Aufgabe dient ein Verfahren zur Aufrechterhaltung mindestens einer Zustandsgröße bei der Laserbearbeitung eines Substrats mit einer Laseranlage, die eine optische Anordnung und eine Bewegungseinrichtung umfasst, wobei die Zustandsgröße geregelt oder gesteuert wird.
Eine besonders präzise und zuverlässige Laserbearbeitung von großflächigen Substraten kann so ermöglicht werden.
Substrat meint ein Werkstoffstück, das der Laserbearbeitung unterzogen werden soll. Insbesondere ist das Substrat Glas oder eine Glasplatte. Großflächige Substrate werden näher weiter unten erläutert
Zustandsgröße bei der Laserbearbeitung meint eine Zustandsgröße, die Einfluss auf die Laserbearbeitung hat. Insbesondere ist die Zustandsgröße eine physikalische Zustandsgröße. Die Zustandsgröße kann eine Zustandsgröße der Laseranlage, also z.B. der optischen Anordnung oder der Bewegungseinrichtung sein. Die Zustandsgröße kann den Laserstrahl betreffen. Die Zustandsgröße kann das Substrat betreffen.
Mit Laserstrahl ist nachfolgend ein Bearbeitungslaserstrahl zur Laserbearbeitung des Substrats oder eine insbesondere reflektierte Messlaserstrahlung zur Regelung oder Steuerung der Zustandsgröße gemeint.
Aufrechterhaltung einer Zustandsgröße bei der Laserbearbeitung bedeutet, dass die Zustandsgröße planmäßig, ungefähr und/oder im Wesentlichen konstant gehalten wird oder werden soll.
Anders ausgedrückt bedeutet Aufrechterhaltung einer Zustandsgröße bei der Laserbearbeitung, dass eine Änderung der Zustandsgröße gegen Null angestrebt wird oder werden soll, also eine Änderung der Zustandsgröße vermieden werden soll. Aufrechterhaltung mindestens einer Zustandsgröße kann die Aufrechterhaltung nur einer Zustandsgröße oder die Aufrechterhaltung mehr als einer Zustandsgröße sein.
Eine Laseranlage umfasst Insbesondere eine Laserquelle zum Emittieren eines Laserstrahls.
Eine optische Anordnung dient insbesondere der Führung und/oder Formung eines Laserstrahls. Insbesondere kann der Laserstrahl von einer Laserquelle aus in die optische Anordnung gelangen oder durch Reflexion, also Rückreflexion, des Laserstrahls an dem Substrat. Eine optische Anordnung umfasst vorzugsweise mehrere optische Elemente zur Umlenkung und/oder Formung des Laserstrahls, also der Bearbeitungslaserstrahlung, einer reflektierten Messlaserstrahlung und/oder einer Messlaserstrahlung.
Insbesondere kann die optische Anordnung oder ein optisches Element der optischen Anordnung eine Linse, ein Prisma, eine Keilplatte, ein Kegelprisma, ein diffraktives optisches Element - DOE -, eine Planoptik, eine Lichtleitfaser, eine Flüssigkristall-Anordnung - z.B. LCD -, einen akustooptischen oder elektrooptischen Modulator, eine Phasenplatte, einen Planspiegel und/oder einen gekrümmten Spiegel umfasst oder daraus besteht.
Laserbearbeitung eines Substrates meint, dass durch eine Laseranlage oder einen Laserstrahl gezielt Energie in eine Laserstrahlwechselwirkungszone des Substrats eingebracht wird, um das Substrat gezielt zu modifizieren.
Regeln der Zugangsgröße meint, dass durch das Regeln die Zugangsgröße für ein Aufrechterhalten der Zugangsgröße geregelt wird.
Bei einem Regeln ist eine sogenannte Regelgröße, die vorliegend insbesondere der Zustandsgröße entspricht, möglichst konstant zu halten, insbesondere trotz eines Einwirken von Störungen wie zum Beispiel einer Krümmung des Substrats oder der Substratoberfläche und/oder eines Verzerrens einer Struktur des Substrats oder auf der Substratoberfläche.
Grundsätzlich wird bei einem Regeln eine Ist-Regelgröße vorzugsweise kontinuierlich ermittelt. Die Ist-Regelgröße beschreibt den Ist-Zustand und/oder entspricht dem aktuellen Ist-Wert der Regelgröße oder einer Eingangsgröße, auf Basis dessen der aktuelle Ist-Wert der Regelgröße ermittelt werden kann.
Grundsätzlich wird bei einem Regeln die Ist-Regelgröße vorzugsweise kontinuierlich mit einer gewünschten Soll-Regelgröße, auch Führungsgröße genannt, verglichen. Die Soll-Regelgröße kann sowohl vor der Laserbearbeitung bestimmt und/oder festgelegt werden und während der Laserbearbeitung konstant bleiben. Alternativ oder ergänzend kann die Soll-Regelgröße während der Laserbearbeitung anpassbar sein und/oder anhand einer insbesondere kontinuierlich erfassten oder gemessenen Eingangsgröße angepasst werden.
Grundsätzlich wird bei einem Regeln entsprechend der Abweichung aus dem Vergleich von Ist-Regelgröße und Soll-Regelgröße eine sogenannte Stellgröße ermittelt, die so auf die Laseranlage einwirkt, dass die Abweichung minimiert wird, also möglichst Null ist.
Besonders bevorzugt wird die Zustandsgröße so geregelt, dass die Änderung oder Abweichung der Soll-Regelgröße zu der Ist-Regelgröße minimiert, also möglichst Null ist, so dass eine Änderung oder Abweichung der Regelgröße vermieden wird und somit die Regelgröße besonders zuverlässig aufrechterhalten werden kann.
Die Ist-Regelgröße wird grundsätzlich durch ein Erfassen oder Messen direkt oder indirekt ermittelt. Wenn die Regelgröße die Zustandsgröße ist, entspricht ein direktes Ermitteln der Ist-Regelgröße dem Erfassung oder Messen der Zustandsgröße. Wenn die Regelgröße die Zustandsgröße ist, entspricht ein indirektes Ermitteln der Ist-Regelgröße dem Erfassung oder Messen der mindestens einen Eingangsgröße und ein Ermitteln der Ist-Regelgröße anhand der erfassten oder gemessenen mindestens einen Eingangsgröße.
Steuern der Zugangsgröße meint, dass durch das Steuern die Zugangsgröße für ein Aufrechterhalten der Zugangsgröße beeinflusst wird.
Bei einem Steuern wird grundsätzlich anhand einer ermittelten, erfassten und/oder gemessenen Eingangsgröße eine Steuergröße ermittelt - und zwar anders als bei einem Regeln ohne einen Vergleich eines Soll-Wertes mit einem Ist-Wert -, die planmäßig auf die Laseranlage einwirkt, um beispielsweise die Zustandsgröße aufrechtzuerhalten.
Insbesondere weist die Laseranlage eine Rechnereinheit zum insbesondere automatischen oder teilautomatisierten Betreiben der Laseranlage auf. Vorzugsweise umfasst die Rechnereinheit einen Prozessor und einen Speicher mit einem Computer-Programm-Code, d.h. auf dem Speicher speicherbare Instruktionen, umfasst, wobei der Prozessor, der Speicher und der Computer-Programm-Code so konfiguriert sind, dass die Laseranlage zur Durchführung eines Verfahrens insbesondere mit mehreren Verfahrensschritten veranlasst wird oder werden kann. Durch Verfahrensschritte kann beispielsweise ein Ermitteln realisiert werden.
Vorzugsweise erfolgt ein Ermitteln anhand einer Eingangsgröße durch einen vordefinierten Algorithmus oder Verfahrensschritte, die insbesondere in einem Computer-Programm-Code abgebildet sein können.
Vorzugsweise ist die Rechnereinheit zum Speichern mindestens eines Parameters der Laseranlage vorgesehen. Insbesondere sind mindestens ein Parameter zur Beschreibung eines aktuellen Zustands der Laseranlage in der Rechnereinheit gespeichert, kontinuierlich aktualisiert und/oder verfügbar.
Großflächige Substrate wie z.B. ein Handydisplayglas oder eine Glasplatte zum Herausschneiden mehrere Handydisplaygläser weisen häufig wie eingangs beschrieben eine Krümmung über die flächige Ausdehnung auf. Diese Krümmung beeinflusst die Fokuslage des Laserstrahlfokus relativ zur Substratoberfläche, die laterale Lage der Laserstrahlwechselwirkungszone des Laserstrahls mit dem Substrat relativ zu einer Kontur oder Außenkontur einer auf das Substrat aufgebrachten Struktur sowie die Laserstrahllänge von der Laserquelle bis zur Laserstrahlwechselwirkungszone.
Auch ein Verzerren des Substrats beispielsweise infolge einer vorherigen Einbringung einer Struktur z.B. in Form einer Bedruckung, Beschichtung und/oder Strukturierung des Substrats oder der Substratoberfläche kann zu einer Beeinflussung der Fokuslage des Laserstrahlfokus relativ zur Substratoberfläche, der laterale Lage der Laserstrahlwechselwirkungszone des Laserstrahls mit dem Substrat relativ zu einer Kontur oder Außenkontur einer auf das Substrat aufgebrachten Struktur sowie der Laserstrahllänge von der Laserquelle bis zur Laserstrahlwechselwirkungszone führen.
Eine geänderte Fokuslage verändert die Strahlintensität und den Strahldurchmesser in der Laserstrahlwechselwirkungszone.
Eine unerwünschte laterale Lage der Laserstrahlwechselwirkungszone relativ zu einer Kontur oder Außenkontur einer auf das Substrat aufgebrachten Struktur kann dazu führen, dass die Laserbearbeitung relativ zur Struktur des Substrats an einer unerwünschten Stelle erfolgt und somit die Ausschussrate erhöht wird.
Eine geänderte Laserstrahllänge verändert wiederum die Strahleigenschaften in der Laserstrahlwechselwirkungszone, weil sich die die Strahlungseigenschaften des Laserstrahls wie z.B. das Strahlprofil oder die Wellenfront an verschiedenen Stellen über die Länge des Laserstrahls normalerweise unterscheiden.
Laserstrahlfokus meint die Position im Strahlengang des Laserstrahls, an welcher der Laserstrahl seinen Fokus hat, also den geringsten Strahldurchmesser, auch Strahltaille genannt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufrechterhaltung mindestens einer Zustandsgröße bei der Laserbearbeitung eines Substrats mit einer Laseranlage, die eine optische Anordnung und eine Bewegungseinrichtung umfasst, wobei die Zustandsgröße geregelt oder gesteuert wird, kann auch ein großflächiges Substrat besonders präzise und zuverlässig mit geringen Ausschussraten einer Laserbearbeitung unterzogen werden.
Beispielsweise kann so ein großflächiges Handydisplayglas besonders präzise und zuverlässig aus einer großflächigen Glasplatte mittels Laserbearbeitung herausgeschnitten werden.
In einer Ausführungsform ist das Substrat ein großflächiges Substrat. Bevorzugt ist ein großflächiges Substrat länger und/oder breiter als 5 cm, bevorzugt 8 cm, besonders bevorzugt 10 cm. Alternativ oder ergänzend ist das Substrat ein dünnes, großflächiges Substrat.
Vorzugsweise ist ein dünnes, großflächiges Substrat um ein Vielfaches dünner als lang und/oder breit, insbesondere dünner als 3 mm, bevorzugt 2 mm, besonders bevorzugt 1 mm, ganz besonders bevorzugt dünner als 0,5 mm.
In einer Ausführungsform wird eine Strukturgeometrie des Substrates und/oder ein Parameter der Laseranlage vor oder während der Laserbearbeitung des Substrates erfasst oder gemessen, wobei in Abhängigkeit von der erfassten oder gemessenen Strukturgeometrie und/oder des Parameters der Laseranlage die Zustandsgröße geregelt oder gesteuert wird.
Strukturgeometrie bedeutet die Geometrie oder Lage des Substrats oder einer Struktur des Substrates. Die Strukturgeometrie kann eine relative Lage und/oder eine Abmessung des Substrates oder der Substratoberfläche sein.
Alternativ oder ergänzend kann die Strukturgeometrie eine Abmessung oder Lage einer Struktur sein, die durch Bedruckung, Beschichtung und/oder Strukturierung des Substrats oder der Substratoberfläche erzeugt wurde.
Eine Struktur weist grundsätzlich mindestens eine Kontur auf, die insbesondere von außen sichtbar ist. Insbesondere weist die Struktur eine Außenkontur auf, welche am äußeren Rand der Struktur verläuft und/oder die Struktur umgrenzt. Grundsätzlich verläuft ein Verlauf einer Kontur in Richtung der flächigen Ausdehnung des Substrats und/oder parallel zur Substratoberfläche, also in Längen- oder Breitenrichtung. Eine Kontur oder die Außenkontur kann durch eine optische Abgrenzung z.B. nach einem Bedrucken, einem Hervorstehen z.B. nach einem Beschichten und/oder eine Ausnehmung z.B. nach einer Strukturierung gebildet werden.
Allgemein wird bei einem Bedrucken Farbstoff auf die Substratoberfläche aufgetragen, bei einem Beschichten Material auf die Substratoberfläche aufgetragen oder aufgedampft und/oder bei einem Strukturieren Material abgetragen.
Geometrie meint allgemein den Verlauf einer Kontur insbesondere angegeben in Koordinaten oder Abmessungen einer Länge, Breite und/oder Tiefe.
Parameter der Laseranlage meint einen Zustandswert der Laseranlage. Der Parameter kann die optische Anordnung, eine Strahlungseigenschaft des Laserstrahls und/oder die Bewegungseinrichtung betreffen.
Erfassen meint allgemein ein Detektieren einer Distanz, eines Verlaufs oder einer Ausdehnung, insbesondere unter Bereitstellung eines Messwertes oder von Koordinaten. Beispielsweise kann der Verlauf oder die Ausdehnung einer Kontur erfasst werden.
Messen meint allgemein das Erfassen und Ausgeben eines Messwerts einer Ausdehnung zwischen zwei vordefinierten Punkten insbesondere in einer vordefinierten Richtung, wie z.B. bei einer Länge, Breite, Dicke und/oder Distanz.
Vor der Laserbearbeitung erfassen meint, bevor die Laserbearbeitung beginnt, also bevor Energie durch einen Laserstrahl in das Substrat für ein gezieltes Modifizieren des Substrats eingebracht wird.
Bei einem Regeln der Zustandsgröße in Abhängigkeit von der erfassten oder gemessenen Strukturgeometrie und/oder ein Parameter der Laseranlage wird insbesondere mindestens eine Eingangsgröße zur Ermittlung der Ist-Regelgröße für das Regeln der Zustandsgröße durch Erfassen oder Messen der Strukturgeometrie und/oder des Parameter der Laseranlage erhalten oder daraus ermittelt.
Vorzugsweise dienen ein erfasster Positionsmarker und/oder ein erfasster Verlauf einer Kontur oder Außenkontur einer Struktur des Substrats als die mindestens eine Eingangsgröße zur Ermittlung der Soll-Regelgröße, und zwar insbesondere vor der Laserbearbeitung. Als Zustandsgröße kann auf diese Weise die laterale Lage der Laserstrahlwechselwirkungszone des Substrats relativ zu einer Kontur oder Außenkontur einer auf das Substrat aufgebrachten Struktur besonders zuverlässig aufrechterhalten werden, auch bei einer Verzerrung des Substrats oder der eingebrachten Struktur des Substrats. Bevorzugt erfolgt das Erfassen der Kontur oder Außenkontur mit einem optischen Aufnahmemittel wie z.B. einer Kamera oder einem CCD-Chip. Die Ist-Regelgröße ist vorzugsweise die aktuelle laterale Lage der Laserstrahlwechselwirkungszone, die insbesondere einem Parameter der Laseranlage entspricht, der bevorzugt in der Rechnereinheit hinterlegt ist und für den Vergleich mit der Soll-Regelgröße an der jeweiligen Position der Verfahrbahn des Laserstrahls eingesetzt wird. Der Verfahrweg des Laserstrahls über das Substrat kann dadurch an die Verzerrung angepasst und auf diese Weise Ausschuss vermieden werden. Beispielsweise kann so ein verzerrt oder verschoben vorgedrucktes Handydisplayglas trotz der Verzerrung präzise an dem Außenrand der Bedruckung durch die Laserbearbeitung ausgeschnitten werden.
Während der Laserbearbeitung erfassen meint, während der Laserstrahl über das Substrat oder die Substratoberfläche für ein Modifizieren des Substrats gefahren oder geführt wird.
Vorzugsweise dienen ein erfasster Verlauf einer Kontur oder Außenkontur einer Struktur des Substrats im Bereich in Vorschubrichtung des Laserstrahls als die mindestens eine Eingangsgröße zur Ermittlung der Soll-Regelgröße, und zwar insbesondere während der Laserbearbeitung. Als Zustandsgröße kann auf diese Weise die laterale Lage der Laserstrahlwechselwirkungszone des Substrats relativ zu einer Kontur oder Außenkontur einer auf das Substrat aufgebrachten Struktur besonders zuverlässig aufrechterhalten werden, auch bei einer Verzerrung des Substrats oder der eingebrachten Struktur des Substrats. Die Ist-Regelgröße, d.h. die aktuelle laterale Lage der Laserstrahlwechselwirkungszone, kann auf Basis eines Parameters der Laseranlage, der in der Rechnereinheit vorliegt, ermittelt und für den Vergleich mit der Soll-Regelgröße an der jeweiligen Position der Verfahrbahn des Laserstrahls eingesetzt werden. Aus dem Vergleich resultiert eine Stellgröße, mithilfe der die Bewegungseinrichtung den Bearbeitungskopf, einen Substrathalter und/oder die optische Anordnung so bewegt, dass die laterale Lage der Laserstrahlwechselwirkungszone relativ zur Kontur oder Außenkontur insbesondere kontinuierlich aufrechterhalten werden kann. Bevorzugt erfolgt das Erfassen der Kontur oder Außenkontur mit einem optischen Aufnahmemittel wie z.B. einer Kamera oder einem CCD-Chip. Der Verfahrweg des Laserstrahls über das Substrat kann dadurch an die Verzerrung, die während oder durch die Laserbearbeitung entsteht, angepasst und auf diese Weise Ausschuss vermieden werden.
Vorzugsweise dient die Distanz zwischen der optischen Anordnung und der Substratoberfläche als Eingangsgröße zur Ermittlung der Ist-Regelgröße.
Als Zustandsgröße kann auf diese Weise die Fokuslage des Laserstrahlfokus relativ zur Substratoberfläche besonders zuverlässig aufrechterhalten werden, auch bei einer Krümmung der Substratoberfläche.
Insbesondere ist ein Bearbeitungskopf mit mindestens einem optischen Element, z.B. Umlenkspiegel und/oder Fokuslinse, als Teil der der optischen Anordnung vorgesehen und derart mit der Bewegungseinrichtung verbunden, dass der Bearbeitungskopf durch die Bewegungseinrichtung relativ zum Substrat bewegt werden kann.
Der Laserstrahl kann so über das Substrat gefahren werden, also in Flächenrichtung quer zur Dickenausdehnung.
Vorzugsweise dient die Distanz zwischen der Substratoberfläche und dem Bearbeitungskopf oder einer Referenzposition mit fester Distanz zum Bearbeitungskopf als Eingangsgröße zur Ermittlung der Ist-Regelgröße. Als Zustandsgröße kann auf diese Weise die Fokuslage des Laserstrahlfokus relativ zur Substratoberfläche besonders zuverlässig aufrechterhalten werden, auch bei einer Krümmung oder einer veränderten Höhenlage der Substratoberfläche. Insbesondere ist die Soll-Regelgröße als vordefinierter Parameter der Laseranlage in der Rechnereinheit hinterlegt.
Insbesondere wird während der Laserbearbeitung die Ist-Regelgröße mit der Soll-Regelgröße verglichen und bei einer Abweichung auf Basis der Stellgröße ein optisches Element so verstellt, dass die Fokuslage des Laserstrahlfokus als Abstand zwischen dem Laserstrahlfokus und der Substratoberfläche insbesondere kontinuierlich während der Laserbearbeitung aufrechterhalten werden kann.
Bei einem Steuern der Zustandsgröße in Abhängigkeit von der erfassten oder gemessenen Strukturgeometrie und/oder einem Parameter der Laseranlage wird anhand der damit ermittelten Eingangsgröße - ohne einen Vergleich mit einem Sollwert - die Steuergröße ermittelt, insbesondere nach einem vordefinierten Algorithmus oder festen Verfahrensschritten. Mit der Steuergröße wird wiederum eine Optikkomponente der Laseranlage angesteuert oder beeinflusst, also z.B. die optische Anordnung oder die Bewegungseinrichtung. Die Laserstrahllänge kann so vorteilhaft als Zustandsgröße gesteuert werden. Vorzugsweise wird anhand eines Parameters der Laseranlage, der in der Rechnereinheit verfügbar ist, die Eingangsgröße ermittelt.
Insbesondere repräsentiert der Parameter die aktuelle Vorschubposition des Bearbeitungskopfes, des Substrathalters und/oder der optischen Anordnung, welche sich mit dem Verfahren des Laserstrahls über das Substrat insbesondere linear verändert.
Auf Basis dieser Eingangsgröße wird die Stellgröße ermittelt, welche zum Ansteuern einer beweglichen Optikkomponente mit mindestens einem optischen Element der optischen Anordnung im Strahlengang des Laserstrahls bestimmt ist. Durch das Ansteuern der beweglichen Optikkomponente mit der Stellgröße wird die bewegliche Optikkomponente derart bewegt, dass die Veränderung der Laserstrahllänge insbesondere durch eine Veränderung der Vorschubposition des Bearbeitungskopfes, des Substrathalters und/oder der optischen Anordnung kompensiert wird. Die Laserstrahllänge kann auf diese Weise während der Laserbearbeitung aufrechterhalten werden.
Bevorzugt führt eine Bewegung des Bearbeitungskopfes und/oder des Substrathalters zu einem Verfahren des Laserstrahls über das Substrat. Grundsätzlich ist auch das Vorsehen eines Scanner möglich, bei dem ein Bewegen mindestens eines optischen Elements der optischen Anordnung z.B. in Form eines Drehens beispielsweise eines Spiegels genügt, um den Laserstrahls über das Substrat zu verfahren.
In einer Ausführungsform wird eine Fokuslage eines Laserstrahlfokus als Abstand zwischen dem Laserstrahlfokus einer Bearbeitungslaserstrahlung und der Substratoberfläche insbesondere während der Laserbearbeitung ermittelt, indem die Bearbeitungslaserstrahlung durch die optische Anordnung auf das Substrat für ein Wechselwirken mit dem Substrat gerichtet wird und eine Messlaserstrahlung von dem Substrat oder der Substratoberfläche reflektiert wird, wobei die Messlaserstrahlung zur Erfassung einer Distanz zwischen der Substratoberfläche und der optischen Anordnung genutzt wird, wobei die Bearbeitungslaserstrahlung und die Messlaserstrahlung mindestens ein gemeinsames optisches Element der optische Anordnung durchlaufen.
Insbesondere entspricht die Distanz zwischen der Substratoberfläche und der optischen Anordnung der erfassten oder gemessenen Strukturgeometrie, die zur Ermittlung der Eingangsgröße dient oder der Eingangsgröße entspricht.
Bearbeitungslaserstrahlung meint die Laserstrahlung ausgehend von der Laserquelle.
Einen Bearbeitungslaserstrahlung auf das Substrat für ein Wechselwirken mit dem Substrat richten meint, dass die Bearbeitungslaserstrahlung für die Laserbearbeitung genutzt wird.
Eine besonders präzise und zuverlässige Laserbearbeitung von großflächigen Substraten kann so ermöglicht werden.
In einer Ausführungsform ist die Messlaserstrahlung ein Teil der reflektierten Bearbeitungslaserstrahlung und/oder dass nur eine einzige Laserquelle für die Laserbearbeitung des Substrates durch die Bearbeitungslaserstrahlung und für die Messung oder Erfassung der Strukturgeometrie des Substrates durch die Messlaserstrahlung genutzt wird.
Ein zusätzlicher Pilotlaser oder eine zusätzliche Strahl- oder Laserquelle kann so eingespart werden.
In einer Ausführungsform werden die Bearbeitungslaserstrahlung durch eine Laserquelle und die Messlaserstrahlung durch eine zusätzliche Laserquelle erzeugt.
Eine besonders präzise Erfassung einer Strukturgeometrie wird so ermöglicht.
In einer Ausführungsform wird die von dem Substrat oder der Substratoberfläche reflektierte Messlaserstrahlung durch ein oder mehrere optische Elemente der optischen Anordnung geführt oder geformt.
Eine besonders einfache und präzise Erfassung einer Strukturgeometrie wird so ermöglicht, insbesondere zur Ermittlung der Fokuslage.
In einer Ausführungsform wird die reflektierte Messlaserstrahlung derart geformt, dass sie einen konvergenten Abschnitt und/oder einen divergenten Abschnitt aufweist, insbesondere mit einem Zwischenfokus zwischen dem konvergenten Abschnitt und dem divergenten Abschnitt.
Ein konvergenter Abschnitt beschreibt einen Abschnitt der reflektierten Messlaserstrahlung, bei dem der Strahldurchmesser in Ausbreitungsrichtung der Messlaserstrahlung abnimmt.
Ein divergenter Abschnitt beschreibt einen Abschnitt der reflektierten Messlaserstrahlung, bei dem der Strahldurchmesser in Ausbreitungsrichtung der Messlaserstrahlung zunimmt.
Durch das Formen der reflektierten Messlaserstrahlung derart, dass sie einen konvergenten Abschnitt aufweist, kann besonders präzise die Fokuslage ermittelt werden und zwar durch eine besonders kompakte Bauweise.
Durch das Formen der reflektierten Messlaserstrahlung derart, dass sie einen divergenten Abschnitt insbesondere nach einer Analyseoptik aufweist, kann besonders präzise die Fokuslage ermittelt werden und zwar durch eine besonders einfach aufgebaute Bauweise.
Durch das Formen der reflektierte Messlaserstrahlung derart, dass sie einen konvergenten Abschnitt und einen divergenten Abschnitt aufweist, können mehrere Messwerte der insbesondere geformten reflektierte Messlaserstrahlung ermittelt und miteinander kombiniert werden, um bestimmte Störgrößen besonders zuverlässig eliminieren zu können.
Insbesondere ist eine Analyseoptik, vorzugsweise eine Sammellinse, für die Formung des reflektierten Messlaserstrahlung vorgesehen, so dass der konvergente Abschnitt und/oder der divergente Abschnitt erhalten wird.
Insbesondere ist eine teilreflektierende Optik, vorzugsweise ein Strahlteilerwürfel, vor der Analyseoptik, dem konvergenten Abschnitt und/oder des divergenten Abschnitts in Ausbreitungsrichtung der reflektierten Messlaserstrahlung betrachtet vorgesehen.
Insbesondere lenkt die teilreflektierende Optik beispielsweise die gesamte reflektierten Messlaserstrahlung oder bevorzugt nur einen Anteil der auf die teilreflektierende Optik treffenden reflektierten Messlaserstrahlung um, vorzugsweise. um 90°.
Die reflektierte Messlaserstrahlung, die insbesondere bei senkrechtem Auftreffen der Bearbeitungslaserstrahlung auf die Substratoberfläche senkrecht zurückreflektiert wird, so dass die reflektierte Messlaserstrahlung der Bearbeitungslaserstrahlung entgegen kommt, kann auf diese Weise besonders einfach aus dem Bereich der Bearbeitungslaserstrahlung herausgeleitet und verbessert ausgewertet werden.
Insbesondere ist eine zusätzliche teilreflektierende Optik, vorzugsweise ein zusätzlicher Strahlteilerwürfel, zum Umlenkung eines Anteils, vorzugsweise der Hälfte, der auf die zusätzliche teilreflektierenden Optik treffenden - insbesondere geformten - reflektierten Messlaserstrahlung vorzugsweise um 90° insbesondere nach der teilreflektierenden Optik und/oder Strahlteilerwürfel vorgesehen.
Durch die zusätzliche teilreflektierende Optik kann ein Teil der - insbesondere geformten - reflektierten Messlaserstrahlung umgelenkt werden, um Platz für ein zusätzliches Erfassen oder Messen einer Strahlungseigenschaft der Messlaserstrahlung zu erhalten.
In einer Ausführungsform wird mindestens eine Strahlungseigenschaft im konvergenten Abschnitt und/oder divergenten Abschnitt der reflektierten Messlaserstrahlung und/oder der geformten reflektierten Messlaserstrahlung gemessen. Insbesondere wird die geformte reflektierte Messlaserstrahlung durch eine Analyseoptik erzeugt.
Eine besonders einfache und präzise Erfassung einer Strukturgeometrie wird so ermöglicht, insbesondere zur Ermittlung der Fokuslage.
In einer Ausführungsform korrelieren die an mehreren Stellen gemessene mindestens eine Strahlungseigenschaft mit der Position des Zwischenfokus und/oder mit dem Abstand zwischen dem Laserstrahlfokus der Bearbeitungslaserstrahlung und der Substratoberfläche.
An mehreren Stellen gemessene Strahlungseigenschaft meint an mehreren Stellen im Strahlengang der reflektierten Messlaserstrahlung, insbesondere der geformten reflektierten Messlaserstrahlung. Mindestens eine Strahlungseigenschaft an mehreren Stellen gemessen meint, dass an jeder der mehreren Stellen jeweils mindestens eine Strahlungseigenschaft gemessen wird.
Insbesondere kann die an zwei Stellen gemessene Strahlungseigenschaft gleich sein. Das vereinfacht den Aufbau.
Vorzugsweise kann die an zwei Stellen gemessene Strahlungseigenschaft nicht die gleiche sein. Das ermöglicht eine besonders Präzise Ermittlung der Fokuslage.
In einer Ausführungsform ist die gemessene Strahlungseigenschaft eine Strahlintensität, ein Strahldurchmesser, eine Wellenfront, ein Polarisationszustand, eine Polarisation und/oder eine Wellenlänge.
Eine besonders zuverlässige und präzise Erfassung einer Strukturgeometrie wird so ermöglicht, insbesondere zur Ermittlung der Fokuslage.
In einer Ausführungsform wird die gemessene Strahlungseigenschaft für die Ermittlung des Abstands oder einer Abstandsänderung zwischen dem Laserstrahlfokus der Bearbeitungslaserstrahlung und der Substratoberfläche verwendet.
Die gemessene Strahlungseigenschaft kann somit als Eingangsgröße für die Ermittlung der Ist-Regelgröße dienen. Der Abstand zwischen dem Laserstrahlfokus der Bearbeitungslaserstrahlung und der Substratoberfläche ist wie oben beschrieben die Fokuslage, also vorliegend die Zustandsgröße, die geregelt werden soll. Die Ermittlung einer Abstandsänderung zwischen dem Laserstrahlfokus der Bearbeitungslaserstrahlung und der Substratoberfläche entspricht dem durchgeführten Vergleich der Ist-Regelgröße mit der Roll-Regelgröße, wobei die ermittelte Abstandsänderung der Stellgröße entspricht oder zur Bestimmung der Stellgröße genutzt wird.
Die Fokuslage kann somit besonders zuverlässig aufrechterhalten werden.
In einer Ausführungsform wird die an mehreren Stellen gemessene Strahlungseigenschaft in Kombination zur Ermittlung des Abstands, also der Fokuslage, oder der Abstandsänderung zwischen dem Laserstrahlfokus der Bearbeitungslaserstrahlung und der Substratoberfläche verwendet.
In Kombination meint, dass mehrere Eingangsgrößen mittels eines Algorithmus oder vordefinierter Verfahrensschritte miteinander verknüpft oder verarbeitet werden, um die Ist-Regelgröße zu ermitteln, also vorliegend den Abstand A. Vorzugsweise dient dazu zusätzlich ein Parameter der Laseranlage, der in der Rechnereinheit verfügbar ist. Bevorzugt wird die Ermittlung durch die Rechnereinheit durchgeführt.
Ein besonders präzises Aufrechterhalten der Fokuslage kann so ermöglicht werden.
In einer Ausführungsform umfasst oder besteht der Algorithmus aus einer Quotienten-Bildung, insbesondere von einer ersten gemessenen Intensität an einer ersten Stelle im Strahlengang, vorzugsweise innerhalb des konvergenten Abschnitts, und einer zweiten gemessenen Intensität an einer anderen Stelle im Strahlengang, vorzugsweise innerhalb des divergenten Abschnitts.
Die Intensität an zwei Stellen einer reflektierten Messlaserstrahlung, insbesondere in Form der durch das Substrat reflektierten Bearbeitungslaserstrahlung, zu messen, und zwar insbesondere jeweils in einem divergierenden und konvergierenden Abschnitt, ermöglicht es, anhand der gemessenen Intensitäten in Kombination miteinander, vorzugsweise durch Quotienten-Bildung, zwischen einer Abweichung der Fokuslage und einer Störung, beispielsweise ein anderes Substratmaterial mit anderem Reflexionsgrad oder aufgrund einer Strahlung absorbierende Plasmawolke, unterscheiden zu können.
In einer Ausführungsform ist die Strahlungsintensität die Laserstrahleigenschaft. Gegenüber einem Messsensor zur Messung des Strahldurchmessers ist ein Sensor für die Messung der Laserstrahlintensität besonders kompakt und preiswert und dadurch mit geringem Aufwand in die optische Anordnung integrierbar. In einer besonders einfachen Umsetzung kann der Sensor für die Messung der Laserstrahlintensität nur eine Photodiode sein. Somit kann ein Messen der Laserstrahlintensität an zwei Stellen im Strahlengang mit geringerem Aufwand umgesetzt werden als beispielsweise das Messen des Strahldurchmessers an nur einer Stelle im Strahlengang.
In einer Ausführungsform ist die Fokuslage in Form des Abstands zwischen dem Laserstrahlfokus der Bearbeitungslaserstrahlung und der Substratoberfläche die Zustandsgröße und die ermittelte Abstandsänderung zwischen dem Laserstrahlfokus der Bearbeitungslaserstrahlung und der Substratoberfläche wird zum Regeln der Fokuslage verwendet.
Eine besonders präzise und zuverlässige Laserbearbeitung von großflächigen Substraten kann so ermöglicht werden.
In einer Ausführungsform, ist die Zustandsgröße die laterale Lage einer Laserstrahlwechselwirkungszone der Bearbeitungslaserstrahlung mit dem Substrat relativ zu einer Kontur oder Außenkontur einer auf das Substrat aufgebrachten oder in das Substrat eingebrachten Struktur.
Laterale Lage meint eine Relativlage in der Substratebene, d.h. in Richtung der flächigen Ausdehnung des Substrats, also beispielsweise einer im Wesentlichen ebenen Substratoberfläche oder einer parallelen Ebene dazu. Die laterale Lage kann somit mit einer Koordinate, d.h. Abstand zum Nullpunkt, oder einer Distanz in Längenrichtung und/oder einer Koordinate oder einer Distanz in Breitenrichtung angegeben werden.
Laserstrahlwechselwirkungszone der Bearbeitungslaserstrahlung mit dem Substrat ist die lokal begrenzte Stelle oder der lokal begrenzte Bereich, in dem die Energie der auf das Substrat auftreffenden und/oder in das Substrat eindringenden Bearbeitungslaserstrahlung mit dem Substrat für eine gezielte Modifikation, also für die Laserbearbeitung, insbesondere thermisch wechselwirkt. Vorzugsweise wird das Substrat an der Laserstrahlwechselwirkungszone geschnitten oder Material abgetragen.
Allgemein indiziert eine Außenkontur eine Soll-Schnittkontur, entlang der die Laserbearbeitung erfolgen soll, also z.B. das Substrat durch die Laserbearbeitung geschnitten werden soll (vgl. 2).
Dadurch, dass die Zustandsgröße die laterale Lage einer Laserstrahlwechselwirkungszone der Bearbeitungslaserstrahlung mit dem Substrat relativ zu einer Kontur oder Außenkontur ist, können auch verzerrte Strukturen auf großen oder großflächigen Substraten besonders zuverlässig und mit geringem Ausschuss ausgeschnitten werden.
Denn insbesondere bei großen oder großflächigen Substraten kann es in der Substratebene, also in flächiger Ausdehnungsrichtung, zu Geometrieabweichungen kommen, die ein Anpassen der Schnittkontur verlangt. Beispielsweise wird ein Substrat über Druck-, Bedampfungs-, Ätz- oder sonstiger Vorbehandlungsverfahren und/oder Strukturierungsverfahren bearbeitet und/oder durchläuft teilweise thermische Prozesse, die zu einer Verzerrung des Substrates und somit der aufgebrachten Struktur führt. Um dennoch eine weitere Verarbeitung durch Laserbearbeitung entlang einer Kontur oder Außenkontur der aufgebrachten Struktur oder Strukturen zu ermöglichen, kann durch die beschriebene Ausführungsform die Maschinenbewegungen der Bewegungseinrichtung zur Führung des Bearbeitungslaserstrahls relativ zum Substrat entsprechend der Verzerrungen angepasst werden, so dass die laterale Lage der Laserstrahlwechselwirkungszone zur Kontur oder Außenkontur einer Struktur des Substrats besonders zuverlässig aufrechterhalten werden kann.
In einer Ausführungsform erfolgt die Erfassung oder Messung der Kontur oder Außenkontur der Struktur als Strukturgeometrie des Substrates durch ein optisches Aufnahmemittel, bevorzugt Kamera oder CCD-Chip, vorzugsweise vor der Laserbearbeitung.
Ein automatisches Anpassen des Maschinenrezepts oder des Steuerungsprogramms zum Ansteuern der Bewegungseinrichtung zum Führen des Bearbeitungslaserstrahls über das Substrat entlang einer definierten Bahn oder Verfahrbahn wird so auf besonders einfache Weise ermöglicht.
Insbesondere genügt eine Aufnahme der Struktur vorzugsweise vor der Laserbearbeitung, insbesondere unter bevorzugt automatischer Erkennung einer bestimmten Kontur oder der Außenkontur der Struktur des Substrats, um eine besonders zuverlässige Laserbearbeitung trotz Verzerrung zu ermöglichen.
Eine Kamera oder CCD-Chip stellen ein besonders einfach zu implementierendes, optisches Aufnahmemittel dar.
Das Aufrechterhalten der lateralen Lage der Laserstrahlwechselwirkungszone der Bearbeitungslaserstrahlung mit dem Substrats relativ zu einer Kontur oder Außenkontur einer auf das Substrat aufgebrachten oder in das Substrat eingebrachten Struktur als die Zustandsgröße kann dann bevorzugt wie nachfolgend beschrieben erfolgen.
Ein insbesondere durch die Kamera vor der Laserbearbeitung erfasster Verlauf der Kontur oder Außenkontur einer Struktur des Substrats - als eine Eingangsgröße - dient zur Ermittlung einer Soll-Regelgröße. Bevorzugt erfolgt das Erfassen der Kontur oder Außenkontur mit einem optischen Aufnahmemittel wie z.B. einer Kamera oder einem CCD-Chip. Die Ist-Regelgröße ist vorzugsweise die aktuelle laterale Lage der Laserstrahlwechselwirkungszone, die insbesondere einem Parameter der Laseranlage entspricht, der bevorzugt in der Rechnereinheit hinterlegt ist und an der jeweiligen Position mit der Soll-Verfahrbahn als die vor der Laserbearbeitung ermittelten Soll-Regelgröße eingesetzt wird. Der Verfahrweg des Laserstrahls über das Substrat kann dadurch an die Verzerrung angepasst und auf diese Weise Ausschuss vermieden werden.
In einer Ausführungsform ist die Zustandsgröße die Laserstrahllänge, d.h. die Länge der Bearbeitungslaserstrahlung von einer Laserquelle der Laseranlage bis zu einer Laserstrahlwechselwirkungszone der Bearbeitungslaserstrahlung mit dem Substrat.
Laserquelle meint Strahlquelle einer Laserstrahlung, also der Bearbeitungslaserstrahlung und/oder Messlaserstrahlung.
Strahlengang meint den Pfad, entlang dem sich die Laserstrahlung ausbreitet. Beispielsweise durch einen Spiegel kann sich die Richtung des Pfads ändern, also die Laserstrahlung, d.h. der Laserstrahl, umgelenkt werden.
Die Strahlungseigenschaften der Laserstrahlung bzw. des Laserstrahls unterscheiden sich, wenn man diese an verschiedenen Stellen über die Länge des Laserstrahls, also an verschiedenen Stellen des Pfades oder des Strahlengangs misst, wie z.B. der Strahldurchmesser, die Strahlintensität, das Strahlprofil oder die Wellenfront.
Aufgrund bewegter Achsen der Bewegungseinrichtung zum Führen der Bearbeitungslaserstrahlung über das Substrat wird die Laserstrahllänge von Laserquelle bis zum Substrat verändert, insbesondere linear zu dem Verfahrweg des Bearbeitungskopfes oder der Laserstrahlwechselwirkungszone. Dadurch kann am Bearbeitungsort der Strahldurchmesser und die Intensitätsverteilung der Bearbeitungslaserstrahlung infolge der veränderten Laserstrahllänge variieren. Dies wiederum kann zu unerwünschten Ergebnissen der Laserbearbeitung führen, z.B. dass an manchen Stellen kein Durchtrennen erzielt wird oder die Schnittkannte mangelhaft ist.
Dadurch, dass die Zustandsgröße die Laserstrahllänge ist, kann die Laserstrahllänge insbesondere während der Laserbearbeitung aufrechterhalten und besonders zuverlässig ein hochqualitatives Bearbeitungsergebnis erzielt werden.
In einer Ausführungsform ist eine bewegbare Optikkomponente der optischen Anordnung im Strahlengang der Bearbeitungslaserstrahlung vorgesehen, derart, dass eine Bewegung der Optikkomponente zu einer gezielten Verlängerung oder Verkürzung der Laserstrahllänge führt. Insbesondere ist die bewegbare Optikkomponente linear bewegbar ist und/oder weist zwei Spiegeln auf, vorzugsweise zum Umlenken der Bearbeitungsstrahlung um 180°.
Optikkomponente meint grundsätzlich eine insbesondere separate Komponente mit einem optischen Element, also eine Linse oder einen Spiegel.
Durch das Vorsehen einer Optikkomponente der optischen Anordnung im Strahlengang der Bearbeitungslaserstrahlung, derart, dass eine Bewegung der Optikkomponente zu einer gezielten Verlängerung oder Verkürzung der Laserstrahllänge führt, kann ein Steuerung und/oder Regeln der Laserstrahllänge zur Aufrechterhaltung der Laserstrahllänge, also insbesondere einer gleichbleibenden Laserstrahllänge, besonders einfach und wirkungsvoll realisiert werden. Insbesondere wird ein automatisiertes Steuern ermöglicht, was mit weniger Aufwand verbunden ist als ein vergleichsweise komplexes Regelsystem.
Die Strahllängenänderung bei Bewegung der Achse oder der Achsen - z.B. in Längenrichtung und/oder Breitenrichtung - der Bewegungseinrichtung kann somit durch das Vorsehen der Optikkomponente im Strahlengang besonders einfach kompensiert und damit vermieden werden. Zum Beispiel kann der Strahlengang mit zwei Spiegeln entlang einer Linearachse besonders einfach verlängert und verkürzt werden, um die Längenänderung bis zum Bearbeitungsort zu vermeiden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Laseranlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß der eingangs beschriebenen Lösung der Aufgabe umfassend eine optische Anordnung und eine Bewegungseinrichtung sowie insbesondere eine Rechnereinheit zum Betreiben der Laseranlage, wobei die Laseranlage so eingerichtet ist, dass zur Aufrechterhaltung mindestens einer Zustandsgröße bei der Laserbearbeitung eines Substrats mit der Laseranlage die Zustandsgröße geregelt oder gesteuert wird oder werden kann.
Die Laseranlage ist insbesondere dieselbe Laseranalage, die dem oben beschriebenen Verfahren zugrunde liegt. Daher können sämtliche Erläuterung, Beschreibungen, Varianten und Ausführungsformen wie oben beschrieben für die Laseranlage übernommen werden. Daher können auch die Merkmale der abhängigen Verfahrensansprüche ebenfalls mit dem Nebenanspruch der Laseranlage kombiniert werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Merkmale der Ausführungsbeispiele können einzeln oder in einer Mehrzahl mit dem beanspruchten Gegenstand kombiniert werden.
Es zeigen:

1: Schematischer Aufbau eines Teils einer Laseranlage, mit der die Fokuslage bei der Laserbearbeitung aufrechterhalten werden kann;
2: Schematische Draufsicht auf ein Substrat mit angedeuteter Außenkontur einer auf ein Substrat aufgebrachten Struktur mit einem Planverlauf (durchgezogene Linie) und einem verzerrten Ist-Verlauf (gestrichelte Linie), wobei die Laserbearbeitung entlang des Ist-Verlaufs erfolgen soll;
3: Schematischer Aufbau eines Teils einer Laseranlage, mit der die Laserstrahllänge bei der Laserbearbeitung aufrechterhalten werden kann.

Die 1 zeigt einen Teil einer Laseranlage während einer Laserbearbeitung eines Substrats 1, wobei die Fokuslage des Laserstrahlfokus 4 relativ zur Substratoberfläche 7 während der Laserbearbeitung durch ein Regelvorgang aufrechterhalten wird. Die Fokuslage entspricht dabei dem Abstand ΔA zwischen dem Laserstrahlfokus 4 einer Bearbeitungslaserstrahlung 5 und der Substratoberfläche 7.
Eine nicht gezeigte Laserquelle, z.B. ein CO₂-Laser, eine Nd:YAG-Laser oder ein Diodenlaser, emittiert einen Bearbeitungslaserstrahlung 5, der durch eine optische Anordnung 2 auf das Substrat 1 gelenkt wird. Eine nicht dargestellte Bewegungseinrichtung 3 bewegt mindestens ein optisches Element oder einen Bearbeitungskopf 24 mit einem optischen Element der optischen Anordnung 2 so über das Substrat, dass die Bearbeitungslaserstrahlung 5 gezielt über das Substrat geführt oder verfahren wird. Bevorzugt fällt der Bearbeitungslaserstrahlung 5 dabei senkrecht zur flächigen Substratebene auf das Substrat 1.
In 1 wird gezeigt, wie der Bearbeitungslaserstrahlung 5 durch eine teilreflektierende Optik 15, insbesondere ein Strahlteilerwürfel, als ein optisches Element der optischen Anordnung 2 ohne Umlenkung transmittiert wird und/oder insbesondere in Strahlausbreitungsrichtung danach durch eine Bearbeitungsoptik 20, bevorzugt eine Sammellinse oder Fokuslinse, in dem Punkt oder Bereich des Laserstrahlfokus 4 fokussiert wird. Vorzugsweise liegt der Laserstrahlfokus 4 zentriert in der planmäßigen Laserstrahlwechselwirkungszone 11. Grundsätzlich kann der Laserstrahlfokus 4 aber auch planmäßig oberhalb, unterhalb, in einem oberen Bereich oder einem unteren Bereich der Laserstrahlwechselwirkungszone 11 liegen. Denn wenn die Bearbeitungslaserstrahlung 5 zumindest teilweise in die Tiefe des Substrates vordringen kann, wird der gesamte mit der Laserstrahlung wechselwirkende Materialbereich des Substrats beeinflusst oder modifiziert.
Der Laserstrahlfokus 4 liegt im gezeigten Beispiel um den Abstand ΔA unterhalb der Substratoberfläche 7, wohingegen der Laserstrahlfokus 4 planmäßig auf der Substratoberfläche 7 liegen sollte. Der Abstand ΔA zeigt folglich gleichsam die Abstandsänderung zwischen dem Laserstrahlfokus 4 der Bearbeitungslaserstrahlung 5 und der Substratoberfläche 7 an.
In diesem Beispiel soll der Abstand ΔA also auf Null gehalten bzw. bei Null aufrechterhalten werden. Dies wird in diesem Beispiel durch ein Regeln des Abstands ΔA auf Null erreicht.
Die gestrichelte Linie deutet den Strahlengang der an der Substratoberfläche 7 reflektierte Messlaserstrahlung 6 an, die vorliegend vorzugsweise einem Teil oder insbesondere der gesamten in die optische Anordnung 2 zurückfallenden Bearbeitungslaserstrahlung 5 entspricht, die an der Substratoberfläche 7 reflektiert wurde.
Diese reflektierte Messlaserstrahlung 6 fällt durch dieselbe Bearbeitungsoptik 20 auf die teilreflektierende Optik 15 und wird vorzugsweise um 90° seitlich umgelenkt. Vorzugsweise ist die teilreflektierende Optik 15 nur von der Seite des Substrats aus spiegelnd oder überwiegend spiegelnd und/oder von der Seite der Laserquelle aus transparent oder nur teilweise spiegelnd.
Insbesondere in Strahlausbreitungsrichtung nach der teilreflektierende Optik 15 wird die reflektierte Messlaserstrahlung 6 durch eine Analyseoptik 16, vorzugsweise eine Sammellinse, für ein Fokussieren in einem Zwischenfokus 10 umgeformt.
Nach der Analyseoptik 16 schließt sich vorzugsweise ein konvergenter Abschnitt 8 an, der insbesondere bis zum Zwischenfokus einen abnehmenden Laserstrahldurchmesser aufweist. Nach dem Zwischenfokus schließt sich ein divergenter Abschnitt 9 an, in dem sich der Laserstrahldurchmesser stetig in Ausbreitungsrichtung vergrößert.
Grundsätzlich bleibt die Laserenergie an jeder Stelle des Strahlengangs zwischen zwei optischen Elementen mit einem im Wesentlichen transparenten Medium dazwischen konstant. Bevorzugt ist zwischen den optischen Elementen der optischen Anordnung 2 auch ein solches im Wesentlichen für die Laserstrahlung transparentes Medium vorgesehen.
Daraus folgt, dass die Strahlintensität I linear mit fallendem Strahldurchmesser w ansteigt und umgekehrt. Es liegt eine umgekehrt lineare oder umgekehrt proportionale Beziehung vor, die durch folgende allgemeine Korrelation und spezifische Gleichung für das vorliegende Beispiel wie folgt beschrieben werden können: $I = b1 \times 1 / w + b2$
$I1 = b11 \times 1 / w1 + b12$
$I2 = b21 \times 1 / w2 + b22$
Die Größen b1, b2, b11, b12, b21 und b22 sind vordefinierte Konstante.
In einer Ausführungsform ist ein Sensor 18, vorzugsweise mindestens eine Photodiode, ein Kamerasensor oder CCD-Chip, vorgesehen, um in dem konvergenten Abschnitt die Strahlintensität I1 und/oder den Strahldurchmesser w1 an einer örtlich vordefinierten Position im Strahlengang messen zu können.
Vorzugsweise ist eine zusätzliche teilreflektierende Optik 17, vorzugsweise ein Strahlteilerwürfel insbesondere mit 50% Teildurchlässigkeit, vorgesehen, um den insbesondere durch die Analyseoptik geformten reflektierte Messlaserstrahlung 6 vorzugsweise um 90° für ein Zuführen zum Sensor 18 umzulenken. Bevorzugt wird ein Teil, insbesondere 50%, der insbesondere durch die Analyseoptik geformten reflektierten Messlaserstrahlung 6 durch die zusätzliche teilreflektierende Optik 17 transmittiert und weitet sich nach dem Zwischenfokus 10 wieder im Form des divergenten Abschnittes auf.
In einer Ausführungsform ist ein zusätzlicher Sensor 19, vorzugsweise mindestens eine Photodiode, ein Kamerasensor oder CCD-Chip, vorgesehen, um die Strahlintensität I2 und/oder den Strahldurchmesser w2 an einer örtlich vordefinierten Position im Strahlengang messen zu können.
In 1 wird exemplarisch der Fall einer unplanmäßigen Abstandsänderung zwischen dem Laserstrahlfokus 4 der Bearbeitungslaserstrahlung 5 und der Substratoberfläche 7 gezeigt, beispielsweise durch eine nach oben gerichtete Krümmung oder Wölbung des Substrats, die eine Absenkung der Fokuslage in das innere des Substrats zur Folge hat. Entsprechend verschiebt sich die Position P des Zwischenfokus.
Planmäßig, also als Soll-Zustand, ist vorgesehen, dass ΔA gleich Null ist und ΔP gleich Null ist. Dies ist genau dann der Fall, wenn der Laserstrahlfokus 4 auf der Substratoberfläche 7 liegt.
In einer Ausführungsform kann zur Ermittlung von mindestens einer Eingangsgröße zur Ermittlung einer Ist-Regelgröße mindestens eine oder in Kombination mehrere der folgenden Korrelationen insbesondere für einen Algorithmus oder Verfahrensschritte eingesetzt werden. $Δ A = c1 \times Δ P + c2 = d1 \times w1 + d2$
$Δ A = c1 \times Δ P + c2 = e1 / w2 + e2$
$Δ A = c1 \times Δ P + c2 = f1 \times w1 / w2 + f2$
$Δ A = c1 \times Δ P + c2 = g1 / l1 + g2$
$Δ A = c1 \times Δ P + c2 = h1 \times I2 + h2$
$Δ A = c1 \times Δ P + c2 = k1 \times l2 / l1 + k2$
Die Größen c1, c2, d1, d2, e1, e2, f1, f2, g1, g2, h1, h2, k1 und k2 sind vordefinierte Konstanten.
Die reine Veränderung von I1 oder von I2 alleine für sich betrachtet kann nicht nur durch beispielsweise eine unplanmäßige Absenkung oder Anhebung der Substratoberfläche 7 verursacht sein, jedoch auch durch andere Störungen wie z.B. das Wechseln auf ein anderes Substrat mit einem anderen Reflexionseigenschaften.
Durch den Einsatz von mindestens oder genau zwei Sensoren 18, 19 zum Messen einer Laserstrahlungseigenschaft, vorzugsweise der Strahlintensität I1 und I2, kann in einer Ausführungsform durch Kombination der gemessenen Laserstrahlungseigenschaften an den beiden Sensoren 18, 19, vorzugsweise durch Quotient-Bildung I2 / I1 oder I1 / I2, die Fokuslage unabhängig von dem Reflexionsgrad des Substrats aufrechterhalten oder geregelt werden.
Eine auf diese Weise ermittelte Ist-Regelgröße kann nun mit einer vorgegebenen Soll-Regelgröße, die in dem vorliegenden Beispiel der Ist-Regelgröße bei ΔA=0 und ΔP=0 entspricht, verglichen werden. Die aus dem Vergleich ermittelte Stellgröße wird zur Ansteuerung eines optischen Elements zur Verschiebung des Laserstrahlfokus 4 relativ zur Laseranlage, zum Bearbeitungskopf 24 oder der optischen Anordnung 2 eingesetzt.
Die Fokuslage kann auf diese Weise auch bei großen oder großflächigen Substraten im Fall eines Auftretens einer Krümmung, eines Wechsels des Substrates mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften oder optische Einflüsse aus dem Laserbearbeitungsprozess besonders zuverlässig aufrechterhalten werden.
Die 2 zeigt schematisch eine Substratoberfläche 7 mit eingezeichneter Außenkontur 12 einer auf das Substrat 1 aufgebrachten Struktur mit einem Planverlauf 22 (durchgezogene Linie) und einem verzerrten Ist-Verlauf 23 (gestrichelte Linie), wobei die Laserbearbeitung entlang des Ist-Verlaufs 23 zu erfolgen hat. Beispielsweise ist die Struktur eine Bedruckung für ein Handydisplayglas, wobei gleich eine Bedruckung für zwei Handydisplaygläser nebeneinander auf dem selben Substrat, z.B. einer Glasscheibe, vorgenommen wurden. Die zwei Handydisplaygläser sollen dann entlang des Umrisses, d.h. der Außenkontur 12, der wirklichen Bedruckung durch die Laserbearbeitung herausgeschnitten werden, auch wenn der Ist-Verlauf des Bedruckungs-Umrisses von dem eigentlich vorgesehenen Planverlauf 22 abweicht. Die Verzerrung wird häufig durch „+“-förmige Positionsmarker 21 angezeigt.
Durch ein optisches Aufnahmemittel, vorzugsweise eine Kamera, wird vor der Laserbearbeitung der Ist-Verlauf der Außenkontur 12 der Struktur des Substrats 1 als eine Eingangsgröße zur Ermittlung einer Soll-Regelgröße erfasst. Die Ist-Regelgröße ist vorzugsweise die aktuelle laterale Lage der Laserstrahlwechselwirkungszone 11, die insbesondere mithilfe eines damit korrelierenden Parameters der Laseranlage ermittelt werden kann, z.B. die aktuelle Achsstellung der Bewegungseinrichtung 3.
Während der Laserbearbeitung wird die Ist-Regelgröße mit der entsprechenden Soll-Lage an der aktuellen Position der Soll-Verfahrbahn verglichen. Aus dem Vergleich wird eine Stellgröße ermittelt, die auf die Bewegungseinrichtung 3 derart einwirkt, dass eine mögliche Abweichung reduziert wird.
Ein besonders präzises Verfahren des Bearbeitungslaserstrahls entlang einer Kontur oder Außenkontur im Ist-Zustand kann so realisiert werden.
Die 3 zeigt einen schematischer Aufbau eines Teils einer Laseranlage, mit der die Laserstrahllänge von der Laserquelle 13 bis zur Laserstrahlwechselwirkungszone 11 bei der Laserbearbeitung aufrechterhalten werden kann, und zwar vorzugsweise durch einen Steuervorgang.
Insbesondere ist eine bewegbare oder verfahrbare Optikkomponente 14 der optischen Anordnung 2 vorgesehen, die sich vorzugsweise entlang einer Linearführung 25 oder durch einen Linearantrieb verschieben oder bewegen lässt.
Vorzugsweise umfasst die bewegbare oder verfahrbare Optikkomponente 14 zwei oder genau zwei Umlenkspiegel 26, die den Laserstrahl oder Bearbeitungslaserstrahl 5 um 180° umlenken.
Vorzugsweise ist in der optischen Anordnung 2 ein erster Umlenkspiegel 27 vorgesehen, der so eingerichtet ist, dass die von der Laserquelle 13 austretende Bearbeitungslaserstrahlung seitlich insbesondere um 90° auf die bewegbare oder verfahrbare Optikkomponente 14 umgelenkt und dieser somit zugeführt wird. Vorzugsweise ist ein zweiter Umlenkspiegel 28 vorgesehen, um die von der bewegbare oder verfahrbare Optikkomponente 14 zurückgeworfenen Bearbeitungslaserstrahlung 5 in die Richtung vor dem Umlenken zur Optikkomponente 14 zu lenken. Die Optikkomponente 14 kann auf diese Weise besonders einfach nachgerüstet und zudem kompakt in der Laseranlage integriert werden.
Insbesondere sieht die Bewegungseinrichtung eine Linearführung oder einen Linearantrieb vor, so dass die Bearbeitungsoptik 20 und/oder die teilreflektierende Optik 15 relativ zu dem Substrat 1 bewegt und damit die Bearbeitungsstrahlung 5 über das Substrat geführt oder verfahren werden kann.
Insbesondere ist ein Bearbeitungskopf 24 umfassend die Bearbeitungsoptik 20 und/oder die teilreflektierende Optik 15 vorgesehen. Vorzugsweise kann der Bearbeitungskopf 24 über das Substrat 1, das durch einen Substrathalter 28 gehalten wird, verfahren werden, um den Vorschub oder Verlauf der Bearbeitungsstrahlung 5 und damit der Laserstrahlwechselwirkungszone 11 umzusetzen.
Durch ein Verfahren des Bearbeitungskopfes 24 wird jedoch gleichzeitig die Laserstrahlenlänge je nach Verfahrrichtung entweder verlängert oder verkürzt.
Die bewegbare oder verfahrbare Optikkomponente 14 ist somit dazu vorgesehen und eingerichtet, diese Verlängerung oder Verkürzung der Laserstrahlenlänge zu kompensieren, und zwar in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein Steuervorgang. In diesem Beispiel ist bei dem Steuervorgang die Zustandsgröße die Laserstrahlenlänge. Ein Parameter der Laseranlage mit einer Information über die aktuelle Achsposition oder Achspositionen der Bewegungseinrichtung 3 dient als Eingangsgröße zur Ermittlung einer Steuergröße. Mit der Steuergröße wird wiederum der Antrieb für die Optikkomponente 14 angesteuert und somit die Optikkomponente 14 verfahren.
Insbesondere wird so erreicht, dass der Verfahrweg der Optikkomponente 14 dem Verfahrweg der Achse oder Achsen der Bewegungseinrichtung 3 entspricht. Die Laserstrahllänge kann so vorteilhaft als Zustandsgröße aufrechterhalten werden.
In einer Weiterentwicklung wird zusätzlich die Lage der Oberfläche zur optischen Anordnung 2 oder zum Bearbeitungskopf 24 als Eingangsgröße zusätzlich berücksichtigt, um die Laserstrahllänge auch an eine Änderung der Höhenlage der Substratoberfläche anzupassen bzw. solche Änderungen zu kompensieren.

Claims

Verfahren zur Aufrechterhaltung mindestens einer Zustandsgröße bei der Laserbearbeitung eines Substrats (1) mit einer Laseranlage, die eine optische Anordnung (2) und eine Bewegungseinrichtung (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße geregelt oder gesteuert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strukturgeometrie des Substrates (1) und/oder ein Parameter der Laseranlage vor oder während der Laserbearbeitung des Substrates (1) erfasst oder gemessen wird, wobei in Abhängigkeit von der erfassten oder gemessenen Strukturgeometrie und/oder des Parameters der Laseranlage die Zustandsgröße geregelt oder gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fokuslage eines Laserstrahlfokus (4) als Abstand (ΔA) zwischen dem Laserstrahlfokus (4) einer Bearbeitungslaserstrahlung (5) und der Substratoberfläche (7) insbesondere während der Laserbearbeitung ermittelt wird, indem die Bearbeitungslaserstrahlung (5) durch die optische Anordnung (2) auf das Substrat (1) für ein Wechselwirken mit dem Substrat (1) gerichtet wird und eine Messlaserstrahlung (6) von dem Substrat (1) oder der Substratoberfläche (7) reflektiert wird, wobei die Messlaserstrahlung (6) zur Erfassung einer Distanz zwischen der Substratoberfläche (7) und der optischen Anordnung (2) genutzt wird, wobei die Bearbeitungslaserstrahlung (5) und die Messlaserstrahlung (6) mindestens ein gemeinsames optisches Element der optische Anordnung (2) durchlaufen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messlaserstrahlung (6) ein Teil der reflektierten Bearbeitungslaserstrahlung (5) ist und/oder dass nur eine einzige Laserquelle für die Laserbearbeitung des Substrates (1) durch die Bearbeitungslaserstrahlung (5) und für die Messung oder Erfassung der Strukturgeometrie des Substrates (1) durch die Messlaserstrahlung (6) genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungslaserstrahlung (5) durch eine Laserquelle und die Messlaserstrahlung (5) durch eine zusätzliche Laserquelle erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Substrat (1) oder der Substratoberfläche (7) reflektierte Messlaserstrahlung (6) durch ein oder mehrere optischen Elemente der optische Anordnung (2) geführt oder geformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierte Messlaserstrahlung (6) derart geformt wird, dass sie einen konvergenten Abschnitt (8) und/oder einen divergenten Abschnitt (9) aufweist, insbesondere mit einem Zwischenfokus (10) zwischen dem konvergenten Abschnitt (8) und dem divergenten Abschnitt (9).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Strahlungseigenschaft im konvergenten Abschnitt (8) und/oder divergenten Abschnitt (9) der reflektierten Messlaserstrahlung (6) und/oder der geformten reflektierten Messlaserstrahlung (6) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Strahlungseigenschaft mit einer Position (ΔP) des Zwischenfokus und/oder dem Abstand (ΔA) zwischen dem Laserstrahlfokus (4) der Bearbeitungslaserstrahlung (5) und der Substratoberfläche (7) korrelieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an mehreren Stellen gemessene mindestens eine Strahlungseigenschaft mit der Position (ΔP) des Zwischenfokus (10) und/oder mit dem Abstand (ΔA) zwischen dem Laserstrahlfokus (4) der Bearbeitungslaserstrahlung (5) und der Substratoberfläche (7) korrelieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Strahlungseigenschaft eine Strahlintensität, ein Strahldurchmesser, eine Wellenfront, ein Polarisationszustand und/oder eine Wellenlänge ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Strahlungseigenschaft für die Ermittlung des Abstands (ΔA) oder einer Abstandsänderung zwischen dem Laserstrahlfokus (4) der Bearbeitungslaserstrahlung (5) und der Substratoberfläche (7) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an mehreren Stellen gemessene Strahlungseigenschaft in Kombination zur Ermittlung des Abstands (ΔA) oder der Abstandsänderung zwischen dem Laserstrahlfokus (4) der Bearbeitungslaserstrahlung (5) und der Substratoberfläche (7) verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuslage in Form des Abstands (ΔA) zwischen dem Laserstrahlfokus (4) der Bearbeitungslaserstrahlung (5) und der Substratoberfläche (7) die Zustandsgröße ist und die ermittelte Abstandsänderung zwischen dem Laserstrahlfokus (4) der Bearbeitungslaserstrahlung (5) und der Substratoberfläche (7) zum Regeln der Fokuslage verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße die laterale Lage einer Laserstrahlwechselwirkungszone (11) der Bearbeitungslaserstrahlung (5) mit dem Substrat (1) relativ zu einer Kontur oder Außenkontur (12) einer auf das Substrat (1) aufgebrauchen oder in das Substrat (1) eingebrachten Struktur ist und/oder dass die Erfassung oder Messung der Kontur oder Außenkontur (12) der Struktur als Strukturgeometrie des Substrates (1) durch ein optisches Aufnahmemittel, bevorzugt Kamera oder CCD-Chip, erfolgt, vorzugsweise vor der Laserbearbeitung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße die Laserstrahllänge ist, d.h. die Länge der Bearbeitungslaserstrahlung von einer Laserquelle (13) der Laseranlage bis zu einer Laserstrahlwechselwirkungszone (11) der Bearbeitungslaserstrahlung (5) mit dem Substrat (1), und/oder dass eine bewegbare Optikkomponente (14) der optischen Anordnung (2), die insbesondere linear bewegbar ist und/oder zwei Spiegeln aufweist, im Strahlengang der Bearbeitungslaserstrahlung (5) vorgesehen ist, derart, dass eine Bewegung der Optikkomponente (14) zu einer gezielten Verlängerung oder Verkürzung der Laserstrahllänge führt.
Laseranlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend eine optische Anordnung (2) und eine Bewegungseinrichtung (3) sowie insbesondere eine Rechnereinheit zum Betreiben der Laseranlage, wobei die Laseranlage so eingerichtet ist, dass zur Aufrechterhaltung mindestens einer Zustandsgröße bei der Laserbearbeitung eines Substrats (1) mit der Laseranlage die Zustandsgröße geregelt oder gesteuert wird oder werden kann.