DE102021125623B3

DE102021125623B3 - Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene

Info

Publication number: DE102021125623B3
Application number: DE102021125623.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Heimes; Julian Hellstern; Christoph Tillkorn; Christian Stolzenburg; Alexander Killi; Torsten Mans; Jan Dolkemeyer; Claus Schnitzler
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2021-10-04
Filing date: 2021-10-04
Publication date: 2023-03-02
Anticipated expiration: 2041-10-05

Abstract

Eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie (12) auf einer Arbeitsebene (14) besitzt eine IR-Laserlichtquelle (20), die einen IR-Laserrohstrahl (22a, 22b) erzeugt. Die Vorrichtung besitzt ferner ein Konversionsmodul (26), das aus dem IR-Laserrohstrahl (22) einen UV-Laserrohstrahl (30) erzeugt. Eine optische Anordnung (32) mit einer Anzahl von optischen Elementen (40) erzeugt einen Beleuchtungsstrahl (34) aus dem UV-Laserrohstrahl (30). Der Beleuchtungsstrahl (34) definiert eine Strahlrichtung, die die Arbeitsebene (14) schneidet, und besitzt im Bereich der Arbeitsebene (14) ein Strahlprofil, das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweist. Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist der IR-Laserrohstrahl (22b) im Bereich des Konversionsmoduls (26) eine richtungsabhängige Strahlqualität auf, die in Bezug auf die lange Achse kleiner ist als in Bezug auf die kurze Achse.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene, mit einer IR-Laserlichtquelle, die dazu eingerichtet ist, einen IR-Laserrohstrahl zu erzeugen, mit einem Konversionsmodul, das dazu eingerichtet ist, aus dem IR-Laserrohstrahl einen UV-Laserrohstrahl zu erzeugen, und mit einer optischen Anordnung mit einer Anzahl von optischen Elementen, die einen Strahlengang definieren, wobei die optische Anordnung dazu eingerichtet ist, entlang des Strahlengangs einen Beleuchtungsstrahl aus dem UV-Laserrohstrahl zu erzeugen, wobei der Beleuchtungsstrahl eine Strahlrichtung definiert, die die Arbeitsebene schneidet, und wobei der Beleuchtungsstrahl im Bereich der Arbeitsebene ein Strahlprofil besitzt, das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweist.
Eine solche Vorrichtung ist dem Grunde nach aus US 2020/0235544 A1 bekannt.
Die linienförmige Laserbeleuchtung einer solchen Vorrichtung kann vorteilhaft dazu verwendet werden, um ein Werkstück thermisch zu bearbeiten. Das Werkstück kann beispielsweise ein Kunststoffmaterial auf einer Glasplatte sein, die als Trägermaterial dient. Das Kunststoffmaterial kann insbesondere eine Folie sein, auf der organische lichtemittierende Dioden, sogenannte OLEDs, und/oder Dünnschichttransistoren hergestellt werden. OLED-Folien werden zunehmend für Displays in Smartphones, Tablet-PCs, Fernsehgeräten und anderen Geräten mit Bildschirmanzeige verwendet. Nach Herstellung der elektronischen Strukturen muss die Folie von dem Glasträger gelöst werden. Dies kann mit einer Laserbeleuchtung in Form einer dünnen Laserlinie geschehen, die mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Glasplatte bewegt wird und dabei die Haftverbindung der Folie durch die Glasplatte hindurch löst. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als LLO bzw. Laser Lift Off bezeichnet.
Eine weitere vielgenutzte Anwendung für die sequentielle Beleuchtung eines Werkstücks mit einer definierten Laserlinie kann das zeilenweise Aufschmelzen von amorphem Silizium auf einer Trägerplatte sein. Die Laserlinie wird auch hier mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Werkstückoberfläche bewegt. Durch das Aufschmelzen und anschließende Abkühlen kann das vergleichsweise kostengünstige amorphe Silizium in höherwertigeres polykristallines Silizium umgewandelt werden. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als Solid State Laser Annealing SLA, als Sequential Lateral Solidification (SLS) oder als Excimer Laser Annealing (ELA) bezeichnet.
Für derartige Anwendungen wird eine Laserlinie auf der Arbeitsebene benötigt, die in der einen Richtung möglichst lang ist, um eine möglichst breite Arbeitsfläche zu erfassen, und die im Vergleich dazu in der anderen Richtung sehr kurz ist, um eine für den jeweiligen Prozess benötigte Energiedichte bereitzustellen. Wünschenswert ist dementsprechend eine lange, dünne Laserlinie mit einem sehr großen Aspektverhältnis von Linienlänge zu Linienbreite. Für typische Anwendungen kann eine Linienlänge von z.B. 100 mm und mehr bei einer Linienbreite in einer Größenordnung von 20 - 250 µm wünschenswert sein. Man bezeichnet die Richtung, in der die Laserlinie verläuft, üblicherweise als lange Achse (LA) und die Linienbreite als kurze Achse (SA, Short Axis) des sogenannten Strahlprofils. In der Regel soll die Laserlinie in beiden Achsen einen definierten Intensitätsverlauf aufweisen. Wünschenswert ist häufig, dass die Laserlinie in der langen Achse ein möglichst rechteckiges oder trapezförmiges Intensitätsprofil besitzt, wobei Letzteres vorteilhaft sein kann, wenn mehrere Laserlinien zu einer längeren Gesamtlinie aneinandergesetzt werden sollen. In der kurzen Achse ist je nach Anwendung häufig ein rechteckförmiges Intensitätsprofil (sogenanntes Top Hat Profil) oder ein Gaußprofil gewünscht.
WO 2018/019374 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen einer solchen Laserlinie mit zahlreichen Details, die die Elemente der optischen Anordnung betreffen. Die optische Anordnung beinhaltet hier einen Kollimator, der einen Laserrohstrahl kollimiert, sowie einen Strahltransformator, einen Homogenisierer und eine Fokussierstufe. Der Strahltransformator nimmt den kollimierten Rohstrahl auf und weitet ihn in der langen Achse auf. Prinzipiell kann der Strahltransformator auch mehrere Laserrohstrahlen von mehreren Laserquellen aufnehmen und zu einem aufgeweiteten Laserstrahl mit höherer Leistung kombinieren. Der Homogenisierer erzeugt das gewünschte Strahlprofil in der langen Achse. Die Fokussierstufe fokussiert den umgeformten Laserstrahl auf eine definierte Position im Bereich der Arbeitsebene. Die bekannte Vorrichtung eignet sich für LLO- und SLA-Anwendungen und kann mit Laserstrahlung mit Wellenlängen aus dem Infrarotbereich (IR) bis hin zum ultravioletten Bereich (UV) implementiert werden.
Für manche Anwendungen ist eine Laserlinie im ultravioletten (UV) Wellenlängenbereich wünschenswert. Häufig wird die UV-Laserstrahlung dabei mit einem Excimerlaser erzeugt, der zur Gruppe der Gaslaser gehört. Derartige Laserlichtquellen sind relativ groß und benötigen daher eine relativ große Stellfläche (Footprint).
Die eingangs genannte US 2020/0235544 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Umwandlung von amorphem Silizium unter Verwendung eines UV-Laserlinie, wobei die Laserlinie aus mehreren UV-Laserstrahlen erzeugt wird, die von mehreren UV-Laserquellen bereitgestellt werden. Jede UV-Laserquelle beinhaltet einen Festkörperlaser, der zunächst Laserstrahlung im nahen Infrarotbereich erzeugt. Mit einem nichtlinearen Kristall wird die Frequenz der IR-Laserstrahlung innerhalb jeder Laserquelle verdoppelt und verdreifacht und auf diese Weise wird aus der IR-Laserstrahlung eine UV-Laserstrahlung erzeugt. Mit anderen Worten beinhaltet hier jede Laserquelle ein Konversionsmodul, das die IR-Laserstrahlung in UV-Laserstrahlung umwandelt. In einem Ausführungsbeispiel werden sechs UV-Laserstrahlen aus sechs derartigen UV-Laserquellen zu einem gemeinsamen Beleuchtungsstrahl zusammengeführt.
Aus DE 10 2018 200 078 A1 ist eine weitere Vorrichtung zum Erzeugen einer UV-Laserlinie in einer Arbeitsebene bekannt. Aus DE 10 2016 015 785 A1 ist eine Vorrichtung mit einer Laserlichtquelle und einer Frequenzkonversionseinheit zur Erzeugung eines UV-Laserrohstrahls bekannt.
Die Optiken, die zur Strahlformung von UV-Laserlichtstrahlen benötigt werden, sind relativ aufwändig und damit teuer. Aufgrund der geringeren Wellenlänge von UV-Laserstrahlen im Vergleich zu IR-Laserstrahlen können bereits kleinste Degradationen oder Verschmutzungen der Optiken dazu führen, dass das Strahlprofil im Bereich der Arbeitsebene Inhomogenitäten aufweist, Insbesondere können Interferenzeffekte die gewünschte Homogenität des Strahlprofils in der langen Achse negativ beeinflussen. Darüber hinaus bereitet das Aufheizen von Optiken bei UV-Laserlichtstrahlen Probleme, da die UV Beschichtungen tendenziell stärker absorbieren als die im IR. Das Aufheizen kann zu Instabilitäten im Strahlführungssystem führen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die die Erzeugung einer Laserlinie im UV-Bereich mit einem möglichst homogenen Strahlprofil, insbesondere in der langen Achse, auf kostengünstige Weise ermöglicht.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zur Lösung dieser Aufgabe eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, wobei der IR-Laserrohstrahl im Bereich des Konversionsmoduls eine richtungsabhängige Strahlqualität aufweist, die in Bezug auf die lange Achse des Strahlprofils kleiner ist als in Bezug auf die kurze Achse des Strahlprofils.
Die Strahlqualität K ist ein Maß, das für die Divergenz eines Laserstrahls repräsentativ ist. Sie ist somit repräsentativ dafür, wie schnell sich ein Laserstrahl auf seinem Ausbreitungsweg relativ zu seinem minimalen Strahldurchmesser aufweitet. Die Strahlqualität ist außerdem repräsentativ dafür, wie gut ein Laserstrahl fokussierbar ist. Dementsprechend wird der IR-Laserrohstrahl dem Konversionsmodul hier astigmatisch zugeführt.
Die Strahlqualität K kann als Kehrwert der sogenannten Beugungsmaßzahl M² angegeben werden und repräsentiert dabei den Divergenzwinkel φ eines idealen Gaußstrahls im Vergleich zum Divergenzwinkel des realen Laserstrahls mit gleichem Durchmesser an der sogenannten Strahltaille: $K = \frac{1}{M^{2}} = \frac{φ_{G a u ß}}{φ_{R e a l}}$
Umgekehrt gibt die Beugungsmaßzahl M² den Divergenzwinkel φ eines realen Laserstrahls im Vergleich zum Divergenzwinkel eines idealen Gaußstrahls mit gleichem Durchmesser an der Strahltaille an. Mithin besitzt der IR-Laserrohstrahl der neuen Vorrichtung im Bereich des Konversionsmoduls nicht nur eine richtungsabhängige Strahlqualität, sondern auch eine richtungsabhängige Beugungsmaßzahl M². Insbesondere ist die Beugungsmaßzahl M_x ² in den bevorzugten Ausführungsbeispielen deutlich größer als die Beugungsmaßzahl M_y ² (M_x ² >> M_y ²), wobei der Index x hier diejenige Raumrichtung bezeichnet, in der die lange Achse des Strahlprofils verläuft, und der Index y bezeichnet diejenige Raumrichtung, in der die kurze Achse des Strahlprofils verläuft. In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Verhältnis von M_x ² zu M_y ² größer oder gleich 2 sein, vorzugsweise größer oder gleich 4. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann M_x ² größer oder gleich 20 sein, während M_y ² kleiner oder gleich 10, insbesondere kleiner oder gleich 5 ist.
Die neue Vorrichtung beinhaltet (zumindest) eine IR-Laserlichtquelle, die einen IR-Laserrohstrahl erzeugt und die in bevorzugten Ausführungsbeispielen als Festkörperlaserquelle realisiert ist. Der IR-Laserrohstrahl ist einem Konversionsmodul zugeführt, welches zumindest einen UV-Laserrohstrahl aus dem IR-Laserrohstrahl erzeugt. Der zumindest eine UV-Laserrohstrahl wird mit Hilfe der optischen Anordnung zu einem Beleuchtungsstrahl geformt, der das gewünschte Strahlprofil im Bereich der Arbeitsebene besitzt. Vorteilhaft beleuchtet der IR-Laserrohstrahl eine Eingangsapertur des Konversionsmoduls mit einer richtungsabhängigen Strahlqualität, die in derjenigen Raumrichtung, die mit der kurzen Achse des Strahlprofils korreliert, höher ist als in derjenigen Raumrichtung, die mit der langen Achse des Strahlprofils korreliert. Dies bedeutet, dass die Strahlqualität des dem Konversionsmodul zugeführten IR-Laserrohstrahls abhängig von der Betrachtungsrichtung unterschiedlich ist.
Die relativ hohe Strahlqualität des IR-Laserrohstrahls in der kurzen Achse begünstigt, dass der Beleuchtungsstrahl in der kurzen Achse besser fokussierbar ist als in der langen Achse. Dies ist in zweifacher Hinsicht von Vorteil. Zum einen kann das Intensitätsprofil in der kurzen Achse mit höherer Präzision auf der Arbeitsebene erzeugt werden. Die Liniendicke kann präziser eingestellt und im Bewegungsablauf gewährleistet werden. Dies ist vorteilhaft, weil damit der Energieeintrag in das zu bearbeitende Werkstück genauer platziert und eingestellt werden kann. Zum anderen trägt die geringere Strahlqualität in der langen Achse vorteilhaft zu einem homogeneren Strahlprofil in der langen Achse bei. Dies begünstigt eine gleichmäßige Bearbeitung eines Werkstücks mit dem Beleuchtungsstrahl.
Die vorteilhafte „Unsymmetrie“ der Strahlqualitäten in den beiden genannten Raumrichtungen wird bei der neuen Vorrichtung sehr weit vorne im Strahlengang angelegt. Infolgedessen können die optischen Elemente einfacher und kostengünstiger ausgebildet sein. Insbesondere wird die „Unsymmetrie“ der Strahlqualitäten hier schon in dem IR-Laserrohstrahl angelegt. Die Beeinflussung des IR-Laserrohstrahls mit optischen Elementen ist einfacher und mit kostengünstigeren Elementen möglich als die Beeinflussung eines UV-Laserrohstrahls. Angesichts dessen ist die oben genannte Aufgabe vollständig gelöst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt die Vorrichtung ein optisches Element, das zwischen der IR-Laserlichtquelle und dem Konversionsmodul angeordnet ist und das dazu eingerichtet ist, die richtungsabhängige Strahlqualität des IR-Laserrohstrahls zu erzeugen.
Diese Ausgestaltung ermöglicht die Verwendung einer kostengünstigen und vielfältig einsetzbaren IR-Laserquelle, insbesondere einer Laserquelle, die nicht nur zur Erzeugung eines linienförmigen Strahlprofils einsetzbar ist oder nicht dafür optimiert ist. Des Weiteren ermöglicht dieses Ausgestaltung eine kostengünstige Nachrüstung bestehender Vorrichtungen und Vorrichtungskonzepte zur Erzeugung einer Laserlinie.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das optische Element eine erste und eine zweite Spiegelfläche, zwischen denen der IR-Laserrohstrahl mehrfach teilreflektiert wird. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen beinhaltet das optische Element ferner einen für den IR-Laserrohstrahl transparenten Glaskörper mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei die erste Spiegelfläche an der Vorderseite ausgebildet ist und wobei die zweite Spiegelfläche an der Rückseite ausgebildet ist. Die zweite Spiegelfläche kann teildurchlässig sein, so dass jeweils ein Anteil des auf die zweite Spiegelfläche auftreffenden IR-Laserrohstrahls transmittiert wird.
Ein solches optisches Element ermöglicht eine sehr effektive Erzeugung des vorteilhaften Astigmatismus mit den unterschiedlichen, richtungsabhängigen Strahlqualitäten. Ein optisches Element mit einem Glaskörper kann im IR-Zweig der Vorrichtung zudem recht kostengünstig, justagearm und raumsparend eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das optische Element ferner mindestens eine Linse, die im Strahlengang vor der ersten und zweiten Spiegelfläche angeordnet ist. In bevorzugten Ausführungsbeispielen weitet die Linse den IR-Laserrohstrahl elliptisch auf.
Diese Ausgestaltung trägt auf kostengünstige Weise zu einer Effizienzsteigerung der neuen Vorrichtung bei. Die Energie der IR-Laserquelle kann optimal in das optische Element eingekoppelt werden Vorteilhaft kann die Linse zu einem hohen Aspektverhältnis der raumrichtungsabhängigen Strahlqualitäten beitragen.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die IR-Laserlichtquelle einen Festkörperlaser. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Festkörperlaser mit einer Pulsrate ≥ 2 kHz, insbesondere ≥ 5 kHz, und mit einer Pulsenergie ≥ 10 mJ betreibbar.
Ein solcher Festkörperlaser ermöglicht eine recht kostengünstige und kompakte Realisierung der neuen Vorrichtung mit einem vergleichsweise kleinen Footprint.
In einer weiteren Ausgestaltung stellt das Konversionsmodul zusätzlich zu dem UV-Laserrohstrahl noch einen sekundären IR-Laserrohstrahl bereit, wobei die Vorrichtung ein weiteres Konversionsmodul aufweist, das einen weiteren UV-Laserrohstrahl aus dem sekundären IR-Laserrohstrahl erzeugt.
Diese Ausgestaltung trägt vorteilhaft zu einer Effizienzsteigerung der neuen Vorrichtung bei. Zudem erleichtert auch diese Ausgestaltung die Realisierung einer Vorrichtung mit vergleichsweise kleinem Footprint.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung einen - vorzugsweise abbildenden - Homogenisierer auf, der im Strahlengang nach dem Konversionsmodul angeordnet ist und der dazu eingerichtet ist, die Anzahl von UV-Laserrohstrahlen in der langen Achse homogen zu verteilen.
In dieser Ausgestaltung erfolgt die Bildung des gewünschten Strahlprofils in der langen Achse maßgeblich in dem UV-Zweig der Vorrichtung. Die Ausgestaltung begünstigt eine sehr homogene Intensitätsverteilung entlang der langen Achse, was für viele Anwendungen wünschenswert ist. Generell können am Ausgang des Konversionsmoduls ein oder mehrere UV-Laserrohstrahlen austreten und mit Hilfe des Homogenisierers zu einem gemeinsamen Beleuchtungsstrahl mit dem gewünschten Strahlprofil umgeformt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung eine Anzahl an optischen Linsen- und/oder Spiegelelementen auf, die im Strahlengang nach dem Konversionsmodul angeordnet sind und die dazu eingerichtet sind, das Strahlprofil im Bereich der Arbeitsebene zu erzeugen.
In dieser Ausgestaltung besitzt die neue Vorrichtung eine Anzahl an optischen Linsen- und/oder Spiegelelementen, die eine Strahlformung in dem UV-Zweig auch in der kurzen Achse bewirken. Die Linsen- und/oder Spiegelelemente sind in vorteilhaften Ausführungsbeispielen auf die UV-Laserstrahlung optimiert und tragen dazu bei, das Strahlprofil im Bereich der Arbeitsebene optimal zu platzieren.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die optische Anordnung dazu eingerichtet, das Strahlprofil mit einem Top Hat-Verlauf in die Arbeitsebene zu projizieren.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr scharfe und genaue Platzierung der Laserlinie in der Arbeitsebene. Wegunterschiede in den Strahlengängen für die lange Achse und die kurze Achse können auf effiziente Weise ausgeglichen werden.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Konversionsmodul ein nicht-lineares optisches Medium auf, das die Anzahl von UV-Laserrohstrahlen durch Frequenzvervielfachung aus der Vielzahl von IR-Laserrohstrahlen erzeugt.
In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen beinhaltet das Konversionsmodul eine Frequenzverdreifachung (Third Harmonic Generation, THG). Prinzipiell kann das Konversionsmodul aber auch eine Frequenzverdopplung implementieren. Das Phänomen der Frequenzverdopplung oder Frequenzverdreifachung kann bei der Bestrahlung von ausgewählten Materialien mit energiereicher Laserstrahlung auftreten, beispielsweise wenn der IR-Laserstrahl eines Nd:YAG-Lasers einen Kristall aus Lithiumniobat, Kaliumdihydrogenphosphat, Bariummetaborat oder Lithiumtriborat bestrahlt. Mit dieser Ausgestaltung kann die neue Vorrichtung sehr kostengünstig realisiert werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine vereinfachte, schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
2 eine vereinfachte Darstellung des Strahlprofils des Beleuchtungsstrahls auf der Arbeitsebene gemäß Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung,
3 und 4 zwei Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise eines Strahltransformators, wie er in Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung zum Einsatz kommen kann,
5 die Strahlformung eines UV-Laserrohstrahls in einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung, und
6 Details eines Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung,
7 eine vereinfachte und schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 erzeugt eine Laserlinie 12 im Bereich einer Arbeitsebene 14, um ein Werkstück (hier nicht dargestellt) zu bearbeiten, das im Bereich der Arbeitsebene 14 platziert ist. Die Laserlinie 12 verläuft in einer Richtung, die im Folgenden als x-Achse bezeichnet ist. Die Laserlinie besitzt eine Linienbreite, die hier in Richtung einer orthogonal zur x-Achse verlaufenden y-Achse betrachtet wird. Dementsprechend korrespondiert die x-Achse im Folgenden mit der langen Achse und die y-Achse korrespondiert mit der kurzen Achse des auf der Arbeitsebene 14 gebildeten Strahlprofils 16 (vgl. 2). Anders ausgedrückt besitzt das Strahlprofil 16 eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite 16a in x-Richtung und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite 16b in y-Richtung. Die jeweilige Strahlbreite kann beispielsweise als Breite des Intensitätsprofils I(x, y) bei 50% der Maximalintensität (FWHM, Full Width at Half Maximum) oder beispielsweise als Breite zwischen den 90% Intensitätswerten (Full Width at 90% Maximum, FW@90%) oder auf andere Weise definiert sein.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das Werkstück eine Oberflächenschicht aus amorphem Silizium beinhalten, die mit Hilfe der Laserlinie 12 zu polykristallinem Silizium umgewandelt wird. Zur Bearbeitung kann die Laserlinie 12 dabei in einer Bewegungsrichtung 18 relativ zu der Arbeitsebene 14 bewegt werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Werkstück eine transparente Trägerplatte sein, von der eine anhaftende Folie, beispielsweise eine OLED-Folie, gelöst werden soll.
Die Vorrichtung 10 besitzt eine Laserlichtquelle 20, die in bevorzugten Ausführungsbeispielen ein Festkörperlaser ist, der Laserlicht im Infrarotbereich erzeugt. Beispielsweise kann die Laserlichtquelle 20 einen Nd:YAG Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von 1064 nm beinhalten. Die Laserlichtquelle 20 erzeugt einen IR-Laserrohstrahl 22. Der IR-Laserrohstrahl 22 kann hier in einem ersten Abschnitt 22a eine weitgehend richtungsunabhängige Strahlqualität K bzw. eine weitgehend richtungsunabhängige Beugungsmaßzahl M² besitzen. In bevorzugten Ausführungsbeispielen weist die Laserlichtquelle bei einer Pulsrate von >2kHz Pulsenergien >10mJ auf.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Laserrohstrahl mit Hilfe eines optischen Elements 23 umgeformt, so dass er in einem Abschnitt 22b eine richtungsabhängige Strahlqualität K bzw. eine richtungsabhängige Beugungsmaßzahl M² erhält. Der Laserrohstrahl aus dem Abschnitt 22b beleuchtet dann die Eingangsapertur 24 eines Konversionsmodul 26. Das Konversionsmodul 26 beinhaltet in diesem Ausführungsbeispiel einen Kristall 28 aus einem nichtlinearen optischen Material, wie etwa Lithiumniobat, Kaliumdihydrogenphosphat, Bariummetaborat oder Lithiumtriborat. Durch die Bestrahlung des Kristalls 28 mit dem IR-Laserrohstrahl 22 können Dipolschwingungen im Kristall angeregt werden, die zu einer Frequenzverdopplung oder Frequenzverdreifachung der ausgangsseitigen Laserstrahlung führen. Auf der Ausgangsseite des Konversionsmodul 26 treten hier dementsprechend ein oder mehrere UV-Laserrohstrahlen 30 aus. Der eine oder die mehreren UV-Laserrohstrahlen 30 werden mit weiteren optischen Elementen der optischen Anordnung 32 zu einem Beleuchtungsstrahl 34 umgeformt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beinhaltet die optischen Anordnung 32 beispielhaft einen Strahltransformator 36, der im Strahlengang (hier angedeutet durch eine optische Achse 38) nach dem Konversionsmodul 26 angeordnet ist. Der Strahltransformator 36 weitet den UV-Laserrohstrahl 30 in der langen Achse auf. Prinzipiell ist es möglich, den Beleuchtungsstrahl ohne den Strahltransformator 36 nach dem Konversionsmodul 26 zu erzeugen. Nach dem Strahltransformator 36 folgen hier ein oder mehrere optische Elemente 40, insbesondere Zylinderlinsen, die den aufgeweiteten UV-Laserstrahl in der langen Achse homogenisieren und ein gewünschtes Strahlprofil 16 im Bereich der Arbeitsebene 14 bilden. Der Beleuchtungsstrahl 34 definiert eine Strahlrichtung, die hier in Richtung der z-Achse verläuft und die Arbeitsebene 14 schneidet.
Wie in den 3 und 4 dargestellt ist, kann der Strahltransformator 36 in bevorzugten Ausführungsbeispielen ein für die einfallende Laserstrahlung transparentes, monolithisches, plattenförmiges Element 41 mit einer Vorderseite 42 und einer Rückseite 43 beinhalten, die im Wesentlichen parallel zueinander stehen. Das plattenförmige Element 41 ist hier vorteilhaft unter einem spitzen Winkel zu dem Laserrohstrahl 30 angeordnet. Die Vorderseite und die Rückseite besitzen in den bevorzugten Ausführungsbeispielen jeweils eine reflektierende Beschichtung, so dass der einfallende Laserrohstrahl mehrfache Reflexionen in dem plattenförmigen Element 41 erfährt, bevor er aufgeweitet an der Rückseite 43 des plattenförmigen Elements austritt. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Strahltransformator als oder mit Hilfe einer Blende realisiert sein.
Ein Bereich der Plattenvorderseite 42 dient als Lichteinkoppelfläche und bildet eine Eingangsapertur 44 des Strahltransformators 36. Ein Bereich 45 der Plattenrückseite 43 wirkt als Lichtauskoppelfläche und bildet eine Ausgangsapertur, durch die ein aufgeweitetes Strahlpaket austritt. Wie aus 3 und 4 ersichtlich, kann die Eingangsapertur 44 in einigen Ausführungsbeispielen länglich ausgebildet sein und sich entlang einer Eingangsapertur-Längsrichtung 44' erstrecken. Die Ausgangsapertur 45 ist hier ebenfalls länglich ausgebildet und erstreckt sich entlang einer Ausgangsapertur-Längsrichtung 45`.
Der Strahltransformator 36 wirkt in diesem Ausführungsbeispiel derart, dass benachbarte Strahlsegmente 46a, 46b, 46c des einfallenden Laserstrahls 30 beim Durchlauf durch das plattenförmige Element 41 in Strahlsegmente 48a, 48b, 48c des austretenden Strahlpakets 48 umsortiert werden. Die Strahlsegmente 48a, 48b, 48c liegen entlang der Ausgangsapertur-Längsrichtung 45' nebeneinander. Dies ist eine Folge davon, dass die durch die Eingangsapertur 44 eingekoppelten Strahlsegmente 46a, 46b, 46c durch interne Reflexion zwischen der Plattenvorderseite 42 und der Plattenrückseite 43 zur Ausgangsapertur 45 geführt werden. Da die Strahlsegmente 46a, 46b, 46c an verschiedenen Positionen durch die Eingangsapertur 44 eingekoppelt werden, haben die aus der Ausgangsapertur 45 austretenden Strahlsegmente 48a, 48b, 48c unterschiedliche optische Weglängen zurückgelegt. Der Strahltransformator 36 ist hier insbesondere derart ausgebildet, dass die optischen Wege der verschiedenen Strahlsegmente 48a, 48b, 48c derart verschieden voneinander sind, dass der austretende Laserstrahl 48 eine stark verringerte räumliche Kohärenz aufweist im Vergleich zu dem einfallenden Laserstrahl 30, vorzugsweise inkohärent ist. Dies erreicht man insbesondere dadurch, dass die Unterschiede der optischen Weglängen für die Strahlsegmente 48a, 48b, 48c groß im Vergleich zur Kohärenzlänge der einfallenden Laserstrahlung 30 sind.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das optische Element 23, das die richtungsabhängige Strahlqualität des IR-Laserrohstrahls 22b erzeugt, ebenfalls ein Strahltransformator sein, wie er in den Fis. 3 und 4 dargestellt ist. Dementsprechend können Ausführungsbeispiele der neuen Vorrichtung einen derartigen Strahltransformator vor dem Konversionsmodul 26 und/oder nach dem Konversionsmodul 26 besitzen.
Wie in 5 dargestellt ist, beinhaltet die optische Anordnung 32 in bevorzugten Ausführungsbeispielen eine Langachsoptik 50, die den aufgeweiteten Laserrohstrahl in der langen Achse formt und auf die Arbeitsebene 14 abbildet. Insbesondere kann die Langachsoptik 50 ein oder mehrere Mikrolinsenarrays 52, 54 sowie eine oder mehrere Linsen oder Spiegelelemente 56, 58, 60 mit optischer Brechkraft überwiegend in der langen Achse beinhalten. Die Mikrolinsenarrays 52, 54 und eine Linse 56 sind vorzugsweise als Zylinderlinsen ausgebildet, die sich mit ihrer jeweiligen Zylinderachse in y-Richtung erstrecken und einen abbildenden Homogenisierer bilden. Der Homogenisierer homogenisiert den aufgeweiteten Laserrohstrahl in der langen Achse, um ein definiertes, typischerweise Top Hat-förmiges Intensitätsprofil in der langen Achse zu erhalten.
Die optische Anordnung 32 beinhaltet in bevorzugten Ausführungsbeispielen ferner eine Vielzahl von optischen Elementen 62, 64, 66, die den aufgeweiteten Laserrohstrahl in der kurzen Achse formen und auf die Arbeitsebene 14 fokussieren. Die optischen Elemente 62, 64, 66 beinhalten hier beispielhaft eine erste Linse 62 und eine zweite Linse 64, die zusammen eine Teleskopanordnung bilden. Das optische Element 66 ist hier eine Objektivlinse mit einem oder mehreren Linsenelementen, die den Beleuchtungsstrahl 34 in kurzer Achse auf die Arbeitsebene 14 fokussiert.
6 zeigt Details eines Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung 10 entsprechend 1. Im oberen Teil von 6 ist der Strahlengang des IR-Laserrohstrahls 22 in Bezug auf die lange Achse dargestellt. Im mittleren Teil ist der Strahlengang des IR-Laserrohstrahls 22 in Bezug auf die kurze Achse dargestellt. Im unteren Teil sind die jeweiligen Strahlqualitäten des IR-Laserrohstrahls schematisch dargestellt.
Wie in 6 gezeigt ist, kann die neue Vorrichtung in einigen Ausführungsbeispielen eine oder mehrere Linsen L1, L2, L3 aufweisen, die den IR-Laserrohstrahl 20 in der kurzen Achse etwas aufweiten und in der langen Achse auf die Eingangsapertur des Strahltransformators 23 abbilden (entsprechend der Eingangsapertur 44 in 4). Der Strahltransformator 23 sortiert die einfallenden IR-Strahlsegmente in der langen Achse nebeneinander und reduziert dabei die laterale Kohärenz in der langen Achse. Eine weitere Linse L4 überlagert und fokussiert die ausgangsseitigen Strahlsegmente des Strahltransformators 23 auf die Eingangsapertur des Konversionsmoduls 26. Infolgedessen besitzt der IR-Laserrohstrahl 22b hinter dem Strahltransformator 23 eine ausgeprägte richtungsabhängige Strahlqualität, wobei die Beugungsmaßzahl M_x ² in langer Achse um mindestens den Faktor 2 größer ist als die Beugungsmaßzahl M_y ² in kurzer Achse.
7 zeigt Details eines weiteren Ausführungsbeispiels. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben Elemente wir zuvor. In diesem Ausführungsbeispiel erzeugt das Konversionsmodul 26 aus dem einfallenden IR-Laserrohstrahl 22b durch Frequenzverdreifachung mit Hilfe des Kristalls 28 den ausgehenden UV-Laserrohstrahl 30. Der UV-Laserrohstrahl 30 wird hier mit Hilfe des Strahltransformators 36 in langer Achse aufgeweitet und dann auf die Arbeitsebene 14 (hier nicht dargestellt) projiziert. Darüber hinaus erzeugt das Konversionsmodul 26 einen sekundären IR-Laserrohstrahl 70, der über einen Teilerspiegel 72 ausgekoppelt wird und einem weiteren Konversionsmodul 74 zugeführt ist. Das weitere Konversionsmodul 74 erzeugt einen weiteren UV-Laserstrahl 76, der vorteilhaft zu einer weiteren Laserlinie (hier nicht dargestellt) umgeformt werden kann. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Laserlinie 12 auf der Arbeitsbene 14 daher aus mehreren Linienabschnitten gebildet werden, die in langer Achse aneinander anschließen (sogenanntes Linienstitching). Die Bildung der weiteren Laserlinie kann auf dieselbe Weise erfolgen wie oben anhand der 3 bis 6 dargestellt ist.

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie (12) auf einer Arbeitsebene (14), mit einer IR-Laserlichtquelle (20), die dazu eingerichtet ist, einen IR-Laserrohstrahl (22; 22a, 22b) zu erzeugen, mit einem Konversionsmodul (26), das dazu eingerichtet ist, aus dem IR-Laserrohstrahl (22) einen UV-Laserrohstrahl (30) zu erzeugen, und mit einer optischen Anordnung (32) mit einer Anzahl von optischen Elementen (52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66), die einen Strahlengang (38) definieren, wobei die optische Anordnung (32) dazu eingerichtet ist, entlang des Strahlengangs (38) einen Beleuchtungsstrahl (34) aus dem UV-Laserrohstrahl (30) zu erzeugen, wobei der Beleuchtungsstrahl (34) eine Strahlrichtung definiert, die die Arbeitsebene (14) schneidet, und wobei der Beleuchtungsstrahl (34) im Bereich der Arbeitsebene (14) ein Strahlprofil (16) besitzt, das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite (16a) und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite (16b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der IR-Laserrohstrahl (22b) im Bereich des Konversionsmoduls (26) eine richtungsabhängige Strahlqualität aufweist, die in Bezug auf die lange Achse (16a) des Strahlprofils (16) kleiner ist als in Bezug auf die kurze Achse (16b) des Strahlprofils (16).
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein optisches Element (23), das zwischen der IR-Laserlichtquelle (20) und dem Konversionsmodul (26) angeordnet ist und das dazu eingerichtet ist, die richtungsabhängige Strahlqualität des IR-Laserrohstrahls (22b) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (23) eine erste und eine zweite Spiegelfläche (42, 43) beinhaltet, zwischen denen der IR-Laserrohstrahl mehrfach teilreflektiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ferner eine Linse (L1, L2, L3) beinhaltet, die im Strahlengang vor der ersten und zweiten Spiegelfläche (42, 43) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die IR-Laserlichtquelle (20) einen Festkörperlaser beinhaltet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionsmodul (26) zusätzlich zu dem UV-Laserrohstrahl (30) noch einen sekundären IR-Laserrohstrahl (70) bereitstellt, wobei die Vorrichtung ein weiteres Konversionsmodul (74) aufweist, das einen weiteren UV-Laserrohstrahl (76) aus dem sekundären IR-Laserrohstrahl (70) erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (32) einen Homogenisierer (52, 54) aufweist, der im Strahlengang nach dem Konversionsmodul (26) angeordnet ist und der dazu eingerichtet ist, den UV-Laserrohstrahl (30) oder die Anzahl von UV-Laserrohstrahlen (30, 76) in der langen Achse homogen zu verteilen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (32) eine Anzahl an optischen Linsen- und/oder Spiegelelementen (52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66) aufweist, die im Strahlengang 838) nach dem Konversionsmodul (26) angeordnet sind und die dazu eingerichtet sind, das Strahlprofil (16) im Bereich der Arbeitsebene (14) zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (32) dazu eingerichtet ist, das Strahlprofil (16) mit einem Top Hat-Verlauf in die Arbeitsebene (14) zu projizieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionsmodul (26) ein nicht-lineares optisches Medium (28) aufweist, das den UV-Laserrohstrahl (30) durch Frequenzvervielfachung aus dem IR-Laserrohstrahl (22b) erzeugt.