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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Bearbeitung eines Substrats mit Hilfe von Laserstrahlung, mit:
- – einem
Laserstrahlung emittierenden Laser;
- – einer
Kondensiereinheit, die die Laserstrahlung zu einem Arbeitspunkt
formt;
- – eine
Ablenkeinrichtung, durch die der Arbeitspunkt nach Vorgabe einer
Steuervorrichtung quer zur Strahlrichtung auslenkbar ist, und
- – eine
Verschiebeeinheit, durch die der Arbeitspunkt entlang der Strahlrichtung
auf das Substrat ausrichtbar ist.
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Derartige Vorrichtungen sind aus
der
DE 101 48 759
A1 und aus der WO 02/30610 A1 bekannt. Die bekannten Vorrichtungen
weisen einen Laser auf, dessen Laserstrahlung durch zwei im Strahlengang
hintereinander angeordnete Blenden zu einem Laserstrahl mit definiertem
Strahlquerschnitt geformt wird. Durch einen Galvanometerspiegel
wird der Laserstrahl dann zu einem zu beschriftenden optischen Element,
beispielsweise einem Brillenglas, gelenkt, das auf einem in x-,
y- und z-Richtung verschiebbaren Verschiebetisch aufliegt. Durch
ein einzelnes Fokussierelement wird der Laserstrahl auf die Oberfläche des
zu beschriftenden optischen Elements, beispielsweise eine Sammellinse,
fokussiert.
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Die Beschriftung des optischen Elements wird
durchgeführt,
indem der Laserstrahl durch den Galvanometerspiegel in x- und y-Richtung
ausgelenkt wird. Daneben kann der Verschiebetisch in x- und y-Richtung
verschoben werden. Falls dabei der Fokus des Laserstrahls nicht
mehr auf der Oberfläche
des zu beschriftenden optischen Elements zu liegen kommt, wird der
Verschiebetisch soweit in z-Richtung verschoben, bis der Fokus des
Laserstrahls wieder auf der Oberfläche des zu beschriftenden Elements
zu liegen kommt.
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Ein Nachteil der bekannten Vorrichtungen ist,
dass großflächige optische
Elemente nur segmentweise bearbeitet werden können. Insbesondere ist es zur
Bearbeitung von großflächigen Oberflächen nötig, den
Verschiebetisch schrittweise zu verfahren, um den Laserstrahl in
die Nähe
des zu bearbeitenden Bereichs zu bringen. Da während des Verschiebevorgangs
die Bearbeitung der Oberfläche
des optischen Elements unterbrochen werden muss, geht Bearbeitungszeit
verloren.
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Ferner ist aus der
EP 601 857 A1 bekannt, einen
KrF-Laser, der Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 248 nm emittiert, zum
Markieren von Brillengläsern
zu verwenden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bearbeitung
eines Substrats mit Hilfe von Laserstrahlung zu schaffen, mit denen
sich großflächige optische
Elemente unterbrechungsfrei bearbeiten lassen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit
den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
In davon abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildung angegeben.
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Durch die Verwendung eines Lasers
mit einer im Vakuum gemessenen Wellenlänge oberhalb von 200 nm ist
es möglich,
für die
Ablenkvorrichtung Spiegel auszuwählen,
die auch bei Reflexionswinkeln oberhalb von 5° ein auf die Strahlleistung
bezogenen Reflexionskoeffizienten von größer 95 % aufweisen. Mit derartigen
Spiegeln können
daher auch Ablenkwinkel > ± 5° erzielt
werden. Im Vergleich zum Stand der Technik kann daher mit der Vorrichtung
gemäß der Erfindung
eine größere Fläche des
zu beschriftenden Objekts bearbeitet werden. Bei der Vorrichtung
gemäß der Erfindung
ist somit kein Verschiebe tisch notwendig, durch den das zu beschriftende Objekt
in x- und y-Richtung
verschoben werden kann. Daher kann der Beschriftungsvorgang mit
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
nahezu unterbrechungsfrei durchgeführt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Laser ein Excimerlaser auf der Basis von KrF mit einer Wellenlänge zwischen
240 und 260 nm oder auf der Basis von XeCl mit einer Wellenlänge zwischen
300 und 320 nm. Diese Excimerlaser weisen eine besonders hohe Leistungsdichte
auf. Außerdem ist
die Wellenlänge
so groß,
dass Ablenkspiegel mit ausreichend großem Reflexionskoeffizienten
zur Verfügung
stehen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird der Einfallswinkel, mit dem die Laserstrahlung auf einen Ablenkspiegel
der Ablenkeinheit in der Ruhestellung trifft, kleiner 45° gewählt. Dies bietet
den Vorteil, dass der Bereich der möglichen Ablenkwinkel größer als
in dem Fall ist, in dem der Einfallswinkel 45° beträgt.
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Nachfolgend wird die Erfindung im
Einzelnen anhand der beigefügten
Zeichnung erläutert.
Es zeigen
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1 den
Aufbau einer Vorrichtung zur Beschriftung eines optischen Elements;
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2 ein
Diagramm, das den Verlauf der auf die Leistung bezogenen Transmission
in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
des einfallenden Lichts bei Einfallswinkeln von 22° und 52° auf einen
Ablenkspiegel zeigt; und
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3 ein
Diagramm, das den Verlauf der auf die Leistung bezogenen Transmission
in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
des einfallenden Lichts bei Einfallswinkeln von 30° und 60° auf einen
Ablenkspiegel zeigt.
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In 1 ist
eine Beschriftungsvorrichtung 1 dargestellt. Die Beschriftungsvorrichtung 1 umfasst einen
Laser 2, der Laserstrahlung 3 emittiert. Bei dem
Laser 2 handelt es sich vorzugsweise um einen Excimerlaser
mit einer Wellenlänge
oberhalb von 200 nm, insbesondere oberhalb von 220 nm. Bei dem Laser 2 kann
es sich beispielsweise um einen Excimerlaser auf der Basis von KrF
mit einer Wellenlänge
im Bereich von 248 nm oder um einen Excimerlaser auf der Basis von
XeCl mit einer Wellenlänge
im Bereich von 308 nm handeln. In Frage kommen auch Excimerlaser
auf der Basis von XeF mit einer typischen Wellenlänge im Bereich
von 351 nm.
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Die vom Laser 2 emittierte
Laserstrahlung 3 wird durch eine Blende 4 zu einem
Laserstrahl 5 geformt. Außerdem wird die Laserstrahlung 3 durch eine
bikonvexe Sammellinse 6 zu einem Arbeitspunkt 7 auf
einer Oberfläche 8 eines
Werkstücks 9 geformt
und in Einzelfällen
sogar fokussiert. Insbesondere wird die Apertur der Blende 4 von
der Sammellinse 6 auf den Arbeitspunkt 7 auf der
Oberfläche 8 des
Werkstücks 9 abgebildet.
Bei dem Werkstück 9 handelt
es sich beispielsweise um ein zu beschriftendes Brillenglas aus
Glas oder Kunststoff. Die Oberfläche 8 eines
derartigen Werkstücks 9 ist
im allgemeinen gekrümmt
und nicht wie in 1 dargestellt flach.
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Die auf die Oberfläche 8 des
Werkstücks 9 zu
schreibenden Zeichen werden aufgebracht, indem der Laserstrahl 5 von
einer Ablenkeinheit 10 nach Vorgabe einer nicht dargestellten
Steuervorrichtung in eine Querrichtung 11 ausgelenkt wird.
Bei der Ablenkeinheit 10 kann es sich zum Beispiel um ein
einachsiges oder zweiachsiges Spiegelgalvanometer handeln. Ein einachsiges
Spiegelgalvanometer genügt,
wenn zum Beispiel nur ein Punkt-Strich-Code auf die Oberfläche 8 des
Werkstücks 9 aufgebracht werden
soll. Für
alphanumerische Zeichen ist jedoch im Allgemeinen ein Zweiachsen-Spiegelgalvanometer
erforderlich.
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Wenn der Laserstrahl 5 in
die Querrichtung 11 ausgelenkt wird, liegt der Arbeitspunkt 7 nicht
länger
auf der Oberfläche 8 des
Werkstücks 9.
Denn der Arbeitspunkt 7 bewegt sich auf einer auf den Drehpunkt
der Spiegelfläche
der Ablenkeinheit 10 zentrierten Kugelfläche. Verstärkt wird
dieser Effekt durch die Tatsache, dass die Oberfläche 8 beispielsweise
bei Brillengläsern
nicht plan, sondern gekrümmt
ist, so dass auch bei einer Ablenkeinheit, die die Lage des Arbeitspunktes
in z-Richtung bei der Auslenkung in x- und y-Richtung unverändert lässt, eine
Verschiebung in z-Richtung erforderlich ist. Daher ist vorgesehen,
das Werkstück 9 auf
einem Stelltisch 12 in eine Strahlrichtung 13 so
zu verfahren, dass der Arbeitspunkt 7 des Laserstrahls 5 stets
auf die Oberfläche 8 ausgerichtet
ist.
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Daneben ist es auch möglich, den
Stelltisch 12 in Bezug auf die Sammellinse 6 ortsfest
entlang der optischen Achse anzuordnen und im Strahlengang zwischen
der Blende 4 und der Sammellinse 6 ein Teleskop 14 vorzusehen,
durch das der Arbeitspunkt 7 bei Bedarf so verschoben wird,
dass er auf der Oberfläche 8 des
Substrats 9 zu liegen kommt.
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Die Apertur der Blende 4 beträgt typischerweise
800 um. Der Abstand f1 zwischen der Blende 4 und
der Hauptebene der Sammellinse 6 entlang der optischen
Achse, die sogenannte Gegenstandsweite, beträgt etwa 500 mm. Der Abstand
f2 zwischen der Hauptebene der Sammellinse 6 und
dem fokussierten Arbeitspunkt 7, die sogenannte Bildweite,
beträgt
entlang der optischen Achse etwa 50 mm. Daraus folgt ein Abbildungsverhältnis von
1:10. Da durch die Sammellinse 6 die Apertur der Blende 4 auf
den Arbeitspunkt 7 abgebildet wird, ergibt sich für den Arbeitspunkt 7 ein
Durchmesser von etwa 80 μm.
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Falls die Gegenstandsweite f1 gleich der blendenseitigen Brennweite und
die Bildweite f2 gleich der wekstückseitigen
Brennweite der Sammellinse 9 ist, liegt der werkstückseitige Fokus
in der Bildebene der Blende 4 und der Arbeitspunkt 7 ist
zugleich der Fokus.
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Die Leistungsdichte der Excimerlaser
mit einer Wellenlänge
oberhalb von 200 nm ist so groß, dass
die Größe der Apertur
der Blende 4 durchaus weiter verkleinert werden kann. Denn
auch bei einer verkleinerten Apertur der Blende 4 steht
immer noch genügend
Leistung im Arbeitspunkt 7 zur Verfügung. Infolgedessen lässt sich
auch das Abbildungsverhältnis
f2/f1 vergrößern, ohne
dass der Arbeitspunkt 7 vergrößert wird. Somit ist es möglich, den
Abstand zwischen der Hauptebene der Sammellinse 6 und dem Arbeitspunkt 7 bei
gleichbleibendem Abstand zwischen Ablenkeinheit 10 und
Sammellinse 6 zu vergrößern. Ein
größerer Abstand
zwischen der Sammellinse 6 und dem Arbeitspunkt 7 auf
der Oberfläche 8 des
Werkstücks 9 ist
jedoch gleichbedeutend mit einer Vergrößerung der Arbeitsfläche, die
vom Laserstrahl 5 durch Auslenken der Ablenkspiegel in der
Ablenkeinheit 10 abgedeckt werden kann. Da der Abstand
zwischen der Ablenkeinheit 10 und der Sammellinse 6 gleich
gehalten werden kann, wird dabei keine Sammellinse mit einem größeren Durchmesser
benötigt.
Bei der hier beschriebenen Beschriftungsvorrichtung 1 kann
daher das Abbildungsverhältnis
größer 1:10
und der Abstand zwischen der Sammellinse 6 und der Blende 4 kleiner
500 mm gewählt
werden.
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Eine Leistungsabschwächung im
Arbeitspunkt 7 ist sinnvoll, wenn zum Beispiel Brillengläser aus
Kunststoff beschriftet werden sollen. Zu diesem Zweck kann im Strahlengang
des Laserstrahls 5 ein Abschwächer vorgesehen sein, der immer
dann in den Strahlengang des Laserstrahls 5 eingebracht wird,
wenn Brillengläser
aus Kunststoff beschriftet werden sollen. Wenn dagegen die Beschriftungsvorrichtung 1 ausschließlich zum
Bearbeiten von Brillengläsern
aus Kunststoff verwendet wird, kann die Abschwächung auch durch eine Verkleinerung
der Apertur der Blende 4 und eine Vergrößerung des Abbildungsverhältnisses
f2/f1 erzielt werden,
so dass im Ergebnis eine größere Fläche am Werkstück 9 vom Laserstrahl 5 bearbeitet
werden kann.
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Darüber hinaus können wegen
der Beschränkung
auf Wellenlängen
oberhalb von 200 nm für
die Ablenkeinheit 10 Ablenkspiegel verwendet werden, die
in einem sich über
30° erstreckenden Winkelbereich
des Einfallswinkels einen Reflexionskoeffizienten größer 95 %
aufweisen. Dies sei anhand der 2 und 3 näher erläutert.
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2 und 3 stellen Messdiagramme dar,
in denen die auf die Leistung bezogene Transmission verschiedener
für die
Ablenkeinheit 19 geeigneter Spiegel gegen die Wellenlänge für unterschiedliche Einfallswinkel
aufgetragen ist. Als Einfallswinkel sei der Winkel zwischen der
Normalen der Spiegelfläche und
der Strahlrichtung des einfallenden Strahls definiert.
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Der grundsätzliche Aufbau der vermessenen Ablenkspiegel
ist dem Fachmann bekannt und als solcher nicht Gegenstand der Anmeldung.
Der Aufbau dieser Ablenkspiegel umfasst mehrere dielektrische Schichten
auf einem Glassubstrat, die unterschiedliche Brechungsindices aufweisen.
Durch eine geeignete Wahl der Dicke der Schichten und der Brechungsindices
wird erreicht, dass die Reflektivität in einem bestimmten Wellenlängenbereich
maximale Werte annimmt. Wenn die Wellenlänge größer 200 nm, insbesondere größer 220
nm gewählt
wird, können
die Schichtdicken und die Brechungsindices so gewählt werden,
dass der sich ergebende Ablenkspiegel für einen großen Bereich von Ablenkwinkeln einsetzbar
ist.
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2 zeigt
ein Messdiagramm, in dem die Transmission eines auf einen Einfallswinkel
von 37° optimierten
Ablenkspiegels bei den Einfallswinkeln 22° und 52° in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden
Lichts dargestellt ist.
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Eine durchgezogene Kurve 15 in 2 gibt die Transmission
bei einem Einfallswinkel von 22° an.
Eine in 2 gestrichelt
eingezeichnete Kurve 16 zeigt den Verlauf des Transmissionskoeffizienten
bei einem Einfallswinkel von 52°.
Daneben deutet eine durchgezogene Linie 17 einen Wellenlängenbereich 18 an,
in dem die unter einem Einfallswinkel von 22° einfallende Strahlung in der
Praxis reflektiert wird. In gleichem Maße umrandet eine gestrichelt
eingezeichnete Linie 19 einen Wellenlängenbereich 20, in dem
die unter einem Einfallswinkel von 52° einfallende Strahlung in der
Praxis reflektiert wird.
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Ein in 2 schraffiert
eingezeichneter Überlappungsbereich 21,
der auf die Wellenlänge von
248 nm zentriert ist, veranschaulicht denjenigen Wellenlängenbereich,
in dem für
alle Einfallswinkel zwischen 22° und
52° Reflexion
stattfindet. Aus dem Überlappungsbereich
lässt sich
entnehmen, dass der vermessene Spiegel in der Lage ist, einfallende
Laserstrahlung mit einer Wellenlänge
zwischen 240 und 256 nm, in einem Winkelbereich zwischen 22° und 52° mit einem
Intensitätsverlust
kleiner 10% zu reflektieren. Insbesondere ist der vermessene Spiegel in
der Lage, einfallendes Licht mit einer Wellenlänge von 248 nm in einem Winkelbereich
zwischen 22° und
52° mit
einem Intensitätsverlust
kleiner 5% zu reflektieren.
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In 3 ist
ein weiteres Messdiagramm eines weiteren auf einen Einfallswinkel
von 45° optimierten
Ablenkspiegels dargestellt, in dem eine durchgezogene Kurve 22 den
Verlauf der auf die Strahlleistung bezogenen Transmission bei einem Einfallswinkel
von 30° in
Abhängigkeit
von der Wellenlänge
des einfallenden Lichts zeigt. Eine weitere gestrichelt dargestellte
Kurve 23 zeigt den Verlauf der Transmission bei einem Einfallswinkel
von 60° in
Abhängigkeit
von der Wellenlänge
des einfallenden Lichts. Eine durchgezogene Linie 24 begrenzt
wie in 2 einen Wellenlängenbereich 25,
in dem unter einem Einfallswinkel von 30° einfallende Strahlung in der
Praxis reflektiert wird. Eine gestrichelt eingezeichnete Linie 26 umrandet
schließlich
einen Wellenlängenbereich 27,
in dem unter einem Einfallswinkel von 60° einfallende Strahlung in der
Praxis reflektiert wird.
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Ein auf die Wellenlänge von
248 nm zentrierter, in 3 schraffiert
eingezeichneter Überlappungsbereich 28 veranschaulicht
den Wellenlängenbereich,
in dem unter einem Einfallswinkel zwischen 30° und 60° einfallende Strahlung weitgehend
reflektiert wird. Anhand des Überlappungsbereichs 28 lässt sich
ablesen, dass mit dem vermessenen Ablenkspiegel einfallendes Licht
mit einer Wellenlänge zwischen
242 nm und 252 nm bei Einfallswinkeln zwischen 30° und 60° mit einem
Intensitätsverlust
kleiner 10% reflektiert werden kann. Insbesondere ist der vermessene
Spiegel in der Lage, einfallendes Licht mit einer Wellenlänge von
248 nm in einem Winkelbereich zwischen 30° und 60° mit einem Intensitätsverlust
kleiner 5% zu reflektieren.
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Man beachte, dass der Überlappungsbereich 28 eine
deutlich geringere Breite als der Überlappungsbereich 21 aufweist.
Es ist daher von Vorteil, wenn der Einfallswinkel in der Ruhestellung
des Ablenkspiegels möglichst
klein ist. Bevorzugt wird daher ein Einfallswinkel im Bereich zwischen
40° und
30°, der
für die
Auslenkung des Laserstrahls 5 um ± 15° variiert wird.
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Die hier gemachten Ausführungen
zu den Ablenkspiegeln im Wellenlängenbereich
von 248 nm gelten entsprechend für
die Wellenlängenbereiche
in der Nähe
von 308 nm und 351 nm.
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Die hier beschriebene Beschriftungsvorrichtung 1 eignet
sich auch für
das Aufbringen einer Mikrocodierung auf die Oberfläche 8 des
Werkstücks 9. Eine
solche Mikrocodierung besteht beispielsweise aus mikroskopischen
Abweichungen von Bildpunkten eines Rasterbildes. Mit der hier beschriebenen Beschriftungsvorrichtung 1 können derartige
Mikrocodierungen auch großflächig vorgenommen
werden, ohne dass Synchronisations markierungen oder Positionsmarkierungen
eingearbeitet werden müssen,
da die Beschriftungsvorrichtung 1 ohne einen quer zur Strahlrichtung
bewegbaren Stelltisch auskommt.
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Es sei angemerkt, dass anstelle von
Excimerlaser auch Festkörperlaser
mit einer Wellenlänge oberhalb
von 200 nm für
die Beschriftungsvorrichtung 1 in Frage kommen. Die Laser
können
unabhängig
vom Typ gepulst oder kontinuierlich betrieben werden. Bei der Verwendung
von Excimerlasern erfolgt der Betrieb vorzugsweise gepulst. Alphanummerische
Zeichen werden dann durch eine Vielzahl von einzelnen, auf das Substrat
abgebildeten Punkten dargestellt. Da die Form der Rasterpunkte durch die
Form des Arbeitspunkts 7 gegeben ist, muss die Apertur
der Blende 4 entsprechend der gewünschenten Form des Arbeitspunkts,
also im Allgemeinen kreisförmig,
gewählt
werden.
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Schließlich sei noch angemerkt, dass
die Sammellinse 6 grundsätzlich auch durch einen abbildenden
Spiegel, zum Beispiel einen Parabolspiegel, ersetzt werden kann.
Dies bietet den Vorteil, dass robuste Spiegel anstelle der im UV-Bereich
anfälligen Transmissionsoptik
verwendet werden können.
Die Sammellinse 6 kann auch durch eine Anordnung mehrerer
abbildender Elemente ersetzt werden.
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In jedem Fall lassen sich mit der
beschriebenen Vorrichtung und dem Verfahren Graviervorgänge auf
der Oberfläche
eines Substrats in guter Qualität ausführen.