DE1565007A1 - Verfahren und Geraet zur thermischen Materialbearbeitung mittels Laserstrahlen - Google Patents
Verfahren und Geraet zur thermischen Materialbearbeitung mittels LaserstrahlenInfo
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Description
Dr. F!erl>erf Scholz
Γ'ε entanwalt .
Arwo'ihr: Philips Pat ent Verwaltung GmbH.
Akte no. PHD- 543 , T56snnr
Anmeldung vom: 24. Mal 1965 ,} 'Z^** --'*■*-*.. I ^U ^U V ι
PMlips PatentVerwaltung GmbH», Hamburg 1, Mönckebergstr.7
Verfahren und Gerät zur thermischen Materialbearbeitung
mittels Laserstrahlen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zur thermischen Materialbearbeitung mit Hilfe von laserstrahl
en α
Es ist bekannt, die thermische Wirkung von laserstrahlen
auszunutzen, doh. die einem Laserstrahl innewohnende Energie in Wärme zum Zwecke der Materialbearbeitung um«·
zuwandeln. Zum Beispiel können sehr dünne Drähte durch die Einwirkung eines Laserstrahls miteinander verschweißt werden.
Ebenfalls kann man mit einem Laserstrahl ausreichender Stärke sehr feine Löcher in Folien oder Schichten der verschiedensten
Materialien bohren. Weiterhin lassen sich beispielsweise bei Aufdampfschichten vorgegebene Teile der
Schicht mit Hilfe eines Laserstrahls auf dem Verdampfungswege beseitigen, so daß der verbleibende Rest der Aufdampfschicht
zur Weiterverarbeitung z.B. in mikroelektronisohen
Kreisen geeignet ist.
Bei den genannten Anwendungsbe!spielen werden die gesohil-
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derten Effekte dadurch bewirkt, daß der Strahl eines Lasers
auf die zu bearbeitende Materialstelle geriohtet wird. Zum Zwecke der Steigerung der Strahlungsdichte wird der Strahl
an dieser Materialstelle meistens durch eine geeignete
Optik auf einen sehr kleinen Durchmesser gebracht. Die Übertragung der Energie des Laserstrahls auf die zu bearbeitende
Materialstelle geschieht auf dem Wege der Absorption. Da dieser Umwandlungsprozeß im allgemeinen in
einem sehr kurzen Zeitraum erfolgt, beschränkt sich der Bereich der Erwärmungszone genau auf die vom Laserstrahl
getroffenen Bezirke des Materials. Diese Besonderheit gibt einerseits die Möglichkeit zur Materialbearbeitung in mikroskopisch
kleinen Bezirken, verlangt jedoch andererseits eine entsprechend genaue Justierung des Laserstrahls in
bezug auf das zu bearbeitende Materialstück. Die bisher verwandten Methoden der mechanischen Justierung sind umständlich
und zeitraubend. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung des geschilderten Verfahrens
durch Einführung einer elektro-optischen Laserstrahljustierung mit Hilfe des Prinzips der digitalen Lichtstrahlablenkung β
Das neue Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
ein Laserstrahl durch einen steuerbaren digitalen Lichtablenker, sowie weitere passive optische Elemente,
wie z.B. Linsen, über das zu bearbeitende Material, geführt wird, und von dem zu bearbeitenden Material Steuersignale
für den Lichtablenker und die Laserlichtquelle abgeleitet werden,
Die Methode der digitalen Lichtstrahlablenkung mit Hilfe
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von doppelbrechenden Prismen ist bekannt. Sie gestattet, einen Lichtstrahl -vorzugsweise einen Laserstrahl- in
ein ITetz L'cüit vorgegebener jftichtunftcii abzulenken· Die
dazu nötigen Steuersignale haben digitalen Charakter.
Die Zeichnung stellt einige Ausführungsformen von Anordnungen
dar, mit deren Hilfe das neue Verfahren durehführbar ist.
Die Fig· 1 und 2 zeigen sohematisoh ein erstes Ausführungsbeispiel naoh der vorliegenden Erfindung für die Anwendung
auf das Sohweißen von z.B. feinen Metalldrähten·
Der kollimierte Strahl einer in der Leistung umsohaltbaren Laserliohtquelle L durohläuft einen digitalen Liohtablenker
A1 und wird dann durch ein Objektiv O1 in dessen
Brennebene F, in der sich die zu verschweißenden Drähte D
befinden, fokussiert. Von den beiden Drähten wird angenommen, daß sie sich an einer Stelle berühren·
Die in den Ablenker A1 gehenden Steuersignale des Signalgenerators S bewirken eine schrittweise Bewegung des
Strahlfokus in der Ebene F. Diese Bewegung findet in zwei, im allgemeinen zueinander senkrechten Koordinatenrichtungen
statt. Sobald der Laserstrahl einen der beiden Drähte trifft, wird die reflektierte bzw. gestreute Intensität
oder -bei direkter Beobachtung- die Absorption der Intensität
von einem Photodetektor Ph registriert. Findet die Bewegung des Laserfokus zeilenweise in regelmäßiger Weise
(ζ·Β. wie bei der Abtastung eines Fernsehrasters) statt, so wird der Photodetektor Ph im allgemeinen pro Zeile Z
zwei Impulse registrieren. Läuft jedoch die Tasteeile Zn,
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gerade über den Kreuzpunkt Kr der beiden Drähte D (Fig.2),
wird nur ein Impuls registriert. Duroh eine an den Photodetektor angeschlossene Logiksohaltung Soh kann die dazugehörige Sohaltsteilung des Ablenkere A1 markiert bzw.
festgehalten werden. Bin weiteres Steuersignal der logiksohaltung veranlaßt sodann den umsohaltbaren Laser L,
einen genügend starken Impuls oder eine Folge von Impulsen in die der Sohaltstellung des Ablenkers A1 entsprechende
Richtung auf die zu schweißende Stelle der beiden Drähte zu senden.
Das geschilderte Verfahren der automatisch bestimmten und gesteuerten Schußrichtung eines Laserstrahls ist vor allem
bei automatisierten Serienproduktionen von Vorteil, da in solchen Fällen die Ausrichtung des Laserstrahls duroh einen
Menschen oder durch mechanische Hilfsmittel einen beträchtlichen Zeitverlust verursachen würde.
Die geschilderte Ausführungsform des Verfahrens ist mannigfach abwandelbar, wie anhand von einigen weiteren Beispielen
gezeigt wird.
Nach Fig. 3 werden die Erzeugung und die Ablenkung des abtastenden und des sohweißenden Laserstrahls getrennt, in
dem je eine Laserlichtquelle L1 und L-, sowie digital·
Lichtablenker A1, A2 bzw· Objektive O1, 0» vorgehen werden.
Fig. 4 zeigt ein System mit getrennter Erzeugung der beiden Laserstrahlen durch die Laserlichtquelle L1 und L1,
jedoch nur mit einem Ablenker A, und einem Strahlenteiler
St und ObjektiT Oy Bei den geschilderten Systemen bzw.
Anordnungen bi-aucben die Frequenzer, des abtastenden und
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schweißenden Laserstrahls nicht gleich zu sein» Bei Benutzung eines einzigen Ablenkers für verschiedene Frequen·*
zen sind die in den optisohen Elementen auftretenden Dis«~
persionen zu "beachten·
Das vorstehend beschriebene Verfahren, sowie die dabei genannten
Systembeispiele lassen sich in ganz analoger ¥ei«· se zur Herstellung sehr feiner löcher oder Vertiefungen
benutzen«,
Handelt es sich um kompliziertere Objekte als gerade zwei einfache sich kreuzende Drähte, so muß die logikschaltung
eine entsprechende Erweiterung erfahren. Evtl. kann der Arbeitsort auch nach den Methoden einer Bildkorrelation
bestimmt werden, die sich ebenfalls digitaler Ablenker zur Abtastung einer Mustervorlage und zur Herstellung der
Korrelation zwischen Vorlage und Arbeitsort bedient·
Bei der Herstellung von mikroelektronischen Kreisen besteht häufig die Aufgabe, aus einer homogenen Aufdampfschioht
gewisse Bereiche zur beseitigen, Das geschieht bisher z.Bo durch Ätzverfahren. Sofern es durch Verdampfen des Materials
mit Hilfe eines auf die betreffende Stelle gerichteten Laserstrahls durchgeführt wird, muß auch hier die Justierung
des Laserstrahls von Hand oder durch andere mechanische Hilfsmittel geschehen. Auch hier führt die Verwendung digitaler
Ablenker zu erheblicher Verbesserung. Figo 5 zeigt schematisch ein System, das sich von den vorhergehenden
Systemen der Pig. 1 bis 4 im wesentlichen dadurch unterr scheidet, daß zusätzlich ein an die Logikschaltung Sch
angeschlossenes Programmierwerk Pr vorhanden ist, mit
dessen Hilfe auch komplizierte Muster schrittweise duroh Verdampfen erzeugt werden können.
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Bine weitere Verbesserung des Systems nach Fig· 5 läßt sioh
erzielen, wenn die Leistung des die thermische Energie liefernden Laserstrahles ausreicht, statt eines Punktes
gleich ganze Flächen zu verdampfen. In diesem Palle wird
man dem Laserstrahl am Arbeitsort von vornherein die Gestalt der zu verdampfenden Fläche geben. Da man im allgemeinen
in mehreren Arbeitsgängen Flächen verschiedener Gestalt wird verdampfen müssen, ist eine schnelle Änderung
der Form des Laserstrahls am Arbeitsort wünschenswert. In diesem Falle wird ein System nach Fig. 6 von Vorteil aein,
bei dem der Laserstrahl durch einen ersten Ablenker Α.,
hinduroh in der Brennebene F des Objektives (L· auf eine
Maske fokussiert wird, die -bei allgemein verändertem Maßstab- die Gestalt der zu verdampfenden Schicht hat. Mit
Hilfe des Ablenkers A1 lassen sich verschiedene Masken in der Brennebene des Objektives O1 auswählen. Die durch
den Ablenker A1 erzeugte Ablenkung des Laserstrahles wird
durch einen Ablenker A, rückgängig gemacht, so daß der
Strahl den Ablenker A. stationär verläßt. Der Ablenker A1-gestattet
dann, den so vorgeformten Laserstrahl an einen vorgegebenen Ort auf der zu bearbeitenden Schicht B zu
lenken. Bine Reduktion der Zahl der Ablenker ist hierbei dadurch möglich, daß ein Lichtablenker in beiden Strahlrichtungen
ausgenutzt wird und entsprechende Strahlenteiler bzwe Umlenker im Strahlenweg vorgesehen sinde
In Fig. 7 wird die Kombination eines digitalen Ablenksystems mit einem Analogabtastsystem zum Zwecke der thermischen
Materialbearbeitung mit Hilfe eines Laserstrahls gezeigt. In Abwandlung von den bisher erwähnten Systemen stellt A1
hier ein Analogabtastsystem -wie ζ·Β. rotierende Spiegel
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oder Prismen oder Ultrasohallzellen- nach bekannten Techniken
dar, die gestatten, den in der Ebene P fokussierten Laserstrahl kontinuierlich duroh einen bestimmten Bereich
zu bewegen. Die Bewegung kann dabei ein- oder zweidimensionalen Charakter haben. Zur Präzisierung dieser Bewegung
kann sich in der Ebene F eine Maske befinden, die an den vom Laserstrahl abzutastenden Stellen transparent ist oder
Öffnungen besitzt. Die Maske kann mehrere solcher transparenter Stellen für verschiedene Bahnmuster enthalten«
Mit Hilfe eines digitalen Liohtablenkers Ag und der Objektive
Og und 0« wird das gerade benötigte Bahnmuster dann
an eine vorgegebene Stelle des zu bearbeitenden Materials B gebracht· Einer der Vorteile dieses Systems liegt darinf
daß bei Verwendung eines kontinuierlich strahlenden Lasers größere Bereiche eines zu bearbeitenden Materialstüokes
gleichmäßig der Wirkung des Laserstrahls ausgesetzt werden können· Gleichzeitig wird aber duroh die feststehende Maske
in I* und-die Verwendung eines digitalen Ableskers für die
Wahl des Arbeitsortes eine hohe Gericuigksit bei deas©a
Lokalisation erzielt·
Die zu bearbeitenden Flächen werden nioht immer eben aein·
Das bedeutet, daß in einem solchen Falle eich der Laaeretrahlfokus
in drei Dimensionen ssu bewegen hat, und der
entsprechende digitale Liohtablenker nach bekannter Technik
für dreidimensionale Bewegungen deo Laserfokue gebaut sein
muß.
Die thermische Ausnutzung der Laserstrahlenergie ist nicht
auf die forsteiisni genannten "Anwendimgsbeispiele "beschränkt·
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Die beschriebenen Systeme können überall dort benutzt werden,
wo es gilt, die Energie eines Laserstrahls mit Hilfe digitarier Lichtablenkung an einem vorgegebenen Ort in thermische
Energie umzusetzen. Weitere Beispiele sind das Dotieren von Halbleitern, das Sohneiden von Gläsern, Präzisionsjustierung von Widerständen durch gezieltes Verdampfen
eines Teiles der Widerstandsschicht.
Patentansprüche 5
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Claims (12)
1. Verfahren zur thermischen Materialbearbeitung mit Hilfe
von laserstrahlen, daduroh gekennzeichnet, daß mindestens ein laserstrahl durch einen steuerbaren digitalen lichtablenker,
sowie weitere passive optisohe Elemente, wie z.B. Linsen, über das zu bearbeitende Material ge··
führt wird, und von dem zu bearbeitenden Material Steuersignale für den Lichtablenker und die Laserliohtquelle
abgeleitet werden·
2. Verfahren nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß eine Laserlichtquelle zur Abtastung und eine laserliohtquelle
zur Bearbeitung des Materials derselben oder unterschiedlicher Frequenz sowie entsprechende digitale Liehtablenker
verwendet werden0
3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, daduroh gekennzeichnet,
daß der Bearbeitungslaserstrahl duroh eine Maske vorgegebener Form läuft und diese auf das zu bearbeitende
Materialstüok abgebildet wird.
4« Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, daduroh gekennzeichnet, daß der Bearbeitungslaserstrahl
durch einen ersten digitalen Lichtablenker und ein Objektiv sowie eine Maske vorgegebener Form läuft, die
Ablenkung des ersten Ablenkers duroh einen zweiten Ablenker rückgängig gemacht wird, und die Maske sodann,
durch einen dritten Ablenker und ein Objektiv auf eine vorgegebene Stelle des zu bearbeitenden Materialstüokes
abgebildet wird.
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5. Verfahren nach Anspruch 2, daduroh gekennzeichnet, daß
der Taststrahl innerhalb desselben oder eines separaten Ablenksystems durch geeignete als Vorlagen dienende
Masken läuft, und der Arbeitsort nach den Methoden der Bildkorrelation zwischen ihm und den Vorlagen mit Hilfe
digitaler Ablenksysteme bestimmt wird.
6. Gerät zur Durchführung des Verfahrens naoh Anspruch 1, gekennzeichnet duroh mindestens eine Laserlichtquelle
mit einem digitalen Liohtablenker und einen Photodetektor zur Abnahme der Steuersignale sowie weitere passive
optische Elemente.
7. Gerät nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch mindestens eine Laserlichtquelle mit einem digitalen Lichtablenker,
ein Programmierwerk sowie weitere passive optische Elemente .
8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, daduroh gekennzeichnet, daß der digitale Liohtablenker als wesentliche Elemente
doppelbrechende Prismen und Polarisationssohalter, wie z.B. Kerrzellen, enthält.
9. Gerät naoh Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein digitaler Lichtablenker als wesentliche
Elemente doppelbreohende Prismen, doppelbreohende Linsen oder Objektive und Polarisationseehalter, wie
z.B. Kerrzellen, enthält.
10. Gerät nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, daduroh >
gekennzeichnet, daß zusätzlich mindestens ein Analog·» Liohtablenker Torgesehen ist.
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11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der
Analog-Liohtablenker rotierende Spiegel oder Prismen enthält.
12. Gerät nach Anspruch 6 oder einem der folgenden, dadurch
gekennzeichnet, daß die Tastlaserlichtquelle und die leistungslaserliohtquelle getrennt sind und beiden derselbe Ablenker zugeordnet ist·
13· Gerät nach Anspruch 6 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastlaserliohtquelle und Leistungslaserlichtquelle vereinigt sind, dem Leistungelaeerstrahl und dem Tastlaserstrahl verschiedene digitale
Ablenker zugeordnet sind«
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Applications Claiming Priority (1)
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