DE19724061C2 - Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes - Google Patents
Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines WerkstückesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung
eines Werkstückes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Vorrichtungen dieser Art werden dazu eingesetzt, von der Ober
fläche eines Werkstückes in einem bestimmten geometrischen
Muster Material zu entfernen, beispielsweise um ein bestimm
tes Lochmuster als Durchgangs- oder Blindbohrung in das Werk
stück einzubringen, oder um in der Oberfläche des Werkstückes
in einem entsprechenden Muster eine chemische oder physikali
sche Änderung der Materialeigenschaften hervorzurufen. Dieses
Muster wird durch die Maske vorgegeben, die entweder direkt
auf dem Werkstück aufliegt oder mit einem Objektiv auf das
Werkstück abgebildet wird. Der Flächenanteil, den das Öffnungs
muster an der Gesamtfläche der Maske einnimmt, ist verhältnis
mäßig gering, so daß nur ein kleiner Prozentsatz des auf die
Maske auftreffenden Laserstrahles tatsächlich durch die Maske
durchtritt und auf dem Werkstück effektiv wird. Entsprechend
gering wäre ohne Zusatzmaßnahmen der energetische Wirkungs
grad der Gesamtvorrichtung.
Daher ist es bekannt, die der Laserlichtquelle zugewandte Fläche
der Maske zu verspiegeln und das an dieser Oberfläche reflek
tierte Licht (welches bei weitem den Hauptteil des einfallenden
Laserstrahles ausmacht) einer Spiegeleinrichtung zuzuleiten,
welche diesen Anteil des Laserlichtes erneut auf die Maske
zurückwirft. Auf diese Weise läßt sich der energetische Wirkungs
grad der Vorrichtung erhöhen.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist in der US 5 601 733
beschrieben. Bei der hier als Spiegeleinrichtung
verwendeten Lichtröhre gibt es innerhalb des primären Laserstrah
les Teilstrahlenbündel, deren Öffnungswinkel so klein ist, daß
es die Austrittsöffnung der Lichtröhre passiert, ohne zuvor auf
die reflektierenden Innenwände der Lichtröhre zu treffen. Derar
tige Teilstrahlenbündel gibt es nicht nur beim ersten Durchgang
des vom Laser erzeugten Primärstrahlbündels sondern auch bei
allen nachfolgenden Reflexionen. Die reflektierten, aus der
Lichtröhre austretenden Strahlen haben also an der Spiegelein
richtung nur eine einfache Reflexion erfahren. Neben diesen
Teilstrahlenbündel gibt es in der Spiegeleinrichtung der US 5 601 733 A
noch weitere Strahlen, die eine im einzelnen nicht
vorhersehbare Anzahl von Reflexionen innerhalb der Spiegelein
richtung durchlaufen: Es handelt sich um diejenigen Strahlen,
deren Öffnungswinkel so groß ist, daß sie nicht direkt die
Austrittsöffnung der Spiegeleinrichtung durchtreten können,
sondern zuvor einfach oder mehrfach an den spiegelnden Innenwänden
der Lichtröhre reflektiert werden. Die Spiegeleinrichtung der
US 5 601 733 A reflektiert also das Laserstrahlbündel nicht
vollflächig, sondern erzeugt einzelne, unterschiedliche Eigen
schaften aufweisende Teilstrahlen. Durch die streifende Reflexion,
welche bestimmte Teilstrahlen innerhalb des ursprünglichen
Laserstrahlbündels erfahren, treten verhältnismäßig hohe Verluste
auf. Außerdem entsteht ein Strahl mit hoher Divergenz.
In Fig. 7 der DE 41 06 423 C ist eine Strahlformungsoptik
für einen Laserstrahl dargestellt, welche den Laserstrahl in
eine schmale Durchgangsöffnung eines halbkugeligen Spiegels,
der über die Maske gelegt ist, fokussiert. Der Laserstrahl
trifft auf die Maske stark divergierend auf; die einzelnen,
an der spiegelnden Oberfläche der Maske reflektierten Strahlen
werden dann in unkontrollierter Weise auf den Spiegel zurück
und an dessen halbkugeliger Spiegelfläche sowie der Maske hin-
und herreflektiert, bis sie wieder in nicht vorherbestimmter
Weise auf das Öffnungsmuster der Maske auftreffen und dieses
- wieder nur zum geringen Teil - durchtreten. Nachteilig bei
dieser Vorrichtung ist erneut, daß die Reflexionen an dem halb
kugeligen Spiegel z. T. unter sehr flachem Winkel erfolgen,
was zu hohen Verlusten führt. Die Anteile des Laserstrahles,
welche das Öffnungsmuster in der Maske durchtreten können,
weisen eine starke Divergenz auf. Hierdurch wird die Abbildung
der Maske auf das Werkstück erschwert, da Objektive im allge
meinen nur auf eine bestimmte Divergenz der Strahlen optimiert
sind. Außerdem leidet die "Tiefenschärfe" des die Strukturen
auf dem Werkstück erzeugenden Strahls.
Ähnliches gilt für die in der US 5 011 253 A dargestellte Laser
bearbeitungsvorrichtung. Hier befindet sich vor der Maske eben
falls eine hohle, in diesem Falle zylindrisch ausgebildete,
Spiegeleinrichtung, welche eine verhältnismäßig kleine Eintritts
öffnung für den Laserstrahl aufweist. Erneut werden von den
Wänden dieser hohlen Spiegeleinrichtung die von der spiegelnden
Oberfläche der Maske zurückreflektierten Strahlen in einer
im einzelnen nicht vorherbestimmten Weise und unter flachem
Winkel hin- und herreflektiert, bis sie in diesem Sinne "zufällig"
wieder auf das Öffnungsmuster der Maske treffen. Die Nachteile,
die mit dieser Ausgestaltung verbunden sind, entsprechen den
jenigen, die oben für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7
der DE 41 06 423 C genannt wurden.
In den Fig. 10 bis 13 der DE 41 06 423 sind Vorrichtungen
schematisch dargestellt, bei denen der Maske ein Planspiegel
im wesentlichen parallel gegenübergestellt ist und der Laser
strahl so unter schrägem Winkel auf die Maske eingestrahlt
wird, daß er unter Mehrfachreflexion zwischen der Maske und
dem Spiegel hin- und herläuft und so zeilenweise die Maske
"beschreibt". Diese Ausgestaltung hat den Nachteil, daß sie
sich bei Verwendung eines Laserstrahles mit normal großem Quer
schnitt nur für vergleichsweise große Masken eignet. Wenn der
Laserstrahl dagegen zur Verwendung bei kleinen Masken auf einen
kleineren Querschnitt gebracht wird, verschlechtert sich
die Strahldivergenz.
Gleiches gilt für die in der DE 42 17 811 C beschriebene Vor
richtung, bei welcher die Maske "zeilenweise" durch die mehr
fache Reflexion des einfallenden Laserlichtstrahles an der
Spiegeleinrichtung beleuchtet wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß unter Aufrecht
erhaltung eines hohen energetischen Wirkungsgrades die Diver
genz des die Maske durchtretenden Anteils der Laserstrahlen
möglichst gering ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst.
Erfindungsgemäß wird also das beim Stande der Technik eingesetzte
"Zufallsprinzip" bei der Mehrfachbeleuchtung der Maske ver
lassen. Stattdessen wird der an der Oberfläche der Maske reflek
tierte Laserstrahl in vorherbestimmter Weise so geführt, daß
er vollflächig wieder auf die Maske zurückkehrt. Hierzu wird
auf dem Wege zwischen der Spiegeleinrichtung und der Maske
ein abbildendes optisches Element eingesetzt. Durch die so
stattfindende kontrollierte Führung des Laserstrahles zur Spie
geleinrichtung hin und von dieser wieder zurück zur Maske kann
gewährleistet werden, daß die Reflexionen an der Spiegeleinrich
tung im wesentlichen unter einem Winkel stattfinden, der nur
wenig von 90° abweicht, und daß auch nur ganz wenige Reflexionen
an der Spiegeleinrichtung, im Extremfall eine einzige Reflexion,
ausreicht, um den Laserstrahl wiederum auf die Maske zurückzufüh
ren. Der von der Spiegeleinrichtung zur Maske zurückkehrende
Laserstrahl leuchtet diese Maske stets komplett aus, während
beim Stande der Technik Teilausleuchtungen stattfinden. Zwar
läßt sich die Zahl der Reflexionen an der Spiegeleinrichtung bei
einem solchen Strahlengang nicht beliebig vergrößern, kann also
deutlich unter der (undefinierten) Zahl von Reflexionen liegen,
die bei den bekannten Spiegeleinrichtungen stattfinden.
Gleichwohl hat sich herausgestellt, daß der energetische
Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung schon bei
den diesbezüglich noch nicht optimierten einfachen Ausfüh
rungsformen nicht unter demjenigen beim Stande der Technik
liegt, die Divergenz der die Maske durchtretenden Laser
strahlen dagegen erheblich günstiger ist. Dies hat bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine größere "Schärfen
tiefe" des die Strukturen im Werkstück erzeugenden Strahles
zur Folge.
Besonders einfach ist es, wenn die Spiegeleinrichtung
mindestens einen Hohlspiegel umfaßt, der gleichzeitig
als abbildendes optisches Element dient. Die Zahl der
im Strahlengang befindlichen optischen Elemente wird auf
diese Weise verringert, was den Justiervorgang einfacher
macht und auch aus Platzgründen günstig ist.
Besonders zweckmäßig ist jedoch eine Ausgestaltung der Er
findung, bei welcher die Spiegeleinrichtung mindestens
einen Planspiegel umfaßt und als optisches abbildendes
Element zusätzlich eine Linse vorgesehen ist.
Die Strahlformungsoptik kann so eingestellt sein, daß die
von ihr erzeugte Strahltaille hinter der Maske liegt. Die
Maske wird dann an einer solchen Stelle im Strahlengang
angeordnet, daß ihre Fläche dem Querschnitt des Laser
strahles an dieser Stelle entspricht. Die Strahlformungs
optik erzeugt dann zwischen der reflektierenden Oberfläche
der Maske und der Spiegeleinrichtung eine Strahltaille.
Günstiger ist es jedoch noch, wenn die Strahlformungsoptik
so eingerichtet ist, daß die von ihr erzeugte Strahltaille
in einem Abstand f vor der Maske liegt, und wenn vor der
Maske eine Kondensorlinse angeordnet ist, deren Brenn
weite f ist. Unter diesen Bedingungen werden die divergent
auf die Kondensorlinse auftreffenden Laserstrahlen
durch die Kondensorlinse parallel gerichtet und durch
treten das Öffnungsmuster in der Maske parallel. Der Ein
fallswinkel, unter dem der Laserstrahl auf die Maske ge
richtet wird, kann hierbei besonders klein gehalten wer
den, was die Gesamtdivergenz der die Maske durchtretenden
Anteile der aus verschiedenen Richtungen auf die Maske
treffenden Strahlen deutlich verringert.
Bereits mit einem einzigen Spiegel als "Spiegeleinrich
tung" im Sinne der vorliegenden Erfindung läßt sich eine
deutliche Steigerung der energetischen Ausbeute gegenüber
einer Vorrichtung ohne Spiegel, nämlich eine annähernde
Verdoppelung erzielen. Das geschilderte Prinzip läßt sich
jedoch mehrfach wiederholen. Hierzu wird eine Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt, bei welcher
die Spiegeleinrichtung eine Mehrzahl von Spiegelpaaren
umfaßt, von denen jeweils der eine den von der Maske
reflektierten Laserstrahl auf den anderen umlenkt, der
dann den Laserstrahl unter einem anderen Winkel auf die
Maske zurückwirft. Wieviele derartige Spiegelpaare im
Einzelfall vorgesehen werden können, hängt ausschließlich
von den geometrischen Bedingungen ab, also von der Frage,
wieviele Spiegelpaare geometrisch untergebracht werden
können. Je mehr Spiegelpaare, umso höher der energetische
Wirkungsgrad der Vorrichtung.
Besonders günstig ist dabei diejenige Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher am Ende des Lichtweges durch
die verschiedenen Spiegelpaare ein einzelner Spiegel vor
gesehen ist, der den Laserstrahl in sich zurückreflektiert.
Der Laserstrahl durchläuft also den optischen Weg zwischen
Maske und den verschiedenen Spiegelpaaren doppelt, wodurch
der energetische Wirkungsgrad noch einmal um annäherend
den Faktor 2 erhöht werden kann.
Die Maske sollte aus verständlichen Gründen in einer Weise
ausgeleuchtet werden, daß die Energiedichte überall im
wesentlichen konstant ist. Viele Laserlichtquellen er
zeugen einen Laserstrahl, der in einer Richtung ein ver
hältnismäßig konstantes Energiedichteprofil aufweist,
in einer Richtung senkrecht hierzu jedoch stark von einem
konstanten Energiedichteprofil abweicht; sehr häufig zeigt
das Energiedichteprofil in dieser Richtung eine Gauß-
Kurvenverteilung. In diesem Falle läßt sich eine Homoge
nisiereinrichtung, der Laserlichtquelle nachgeschaltet,
verwenden, welche in der einen Richtung den Laserstrahl
so umformt, daß er im Ergebnis dann auch hier eine im
wesentlichen konstante Energiedichte aufweist. Schwieriger
zu handhaben sind jedoch diejenigen Laserlichtquellen,
bei denen in beiden senkrecht zueinander stehenden Rich
tungen kein konstantes Energiedichteprofil des Laserstrah
les vorhanden ist. In diesen Fällen schafft eine Ausge
staltung der Erfindung Abhilfe, bei welcher
- a) die Homogenisiereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie nur auf das Energiedichteprofil des Laserstrahles in einer Richtung einwirkt und dieses so verändert, daß es im wesentlichen komplementär zum unveränderten Energiedichteprofil der anderen Richtung ist, und
- b) die beiden Spiegel in dem oder den Spiegelpaaren so eingestellt sind, daß der Laserstrahl, der von der Maske zu dem Spiegelpaar verläuft, gegenüber dem von dem Spiegelpaar kommenden, auf der Maske auftretenden Laserstrahl um 90° verdreht ist.
Unter "komplementären" Energiedichteprofilen werden hier
solche verstanden, deren Addition ein im wesentlichen
konstantes Energiedichteprofil ergibt. Mit der vorlie
genden Erfindung wird ausgenutzt, daß bei der Ausgestal
tung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Spie
gelpaaren durch diese Spiegelpaare ohne weiteres eine
Drehung des Laserstrahles um 90° erzielt werden kann.
Wenn daher die Homogenisiereinrichtung den einfallenden
Laserstrahl so bearbeitet, daß das Energiedichteprofil
in einer Richtung nun nicht mehr konstant sondern kom
plementär zu dem Energiedichteprofil in der anderen Rich
tung ist, dann überlagern sich die auf die Maske auftre
tenden, von der Laserlichtquelle oder von Spiegelpaaren
kommenden Laserstrahlen so, daß in beiden Richtungen auf
der Maske ein im wesentlichen konstantes Energiedichte
profil erzeugt wird.
Dies setzt allerdings voraus, daß der Laserstrahl quadra
tisch ist. Sofern dies von Hause aus nicht der Fall ist,
wird eine Ausführungsform der Erfindung eingesetzt, bei
welcher die Strahlformungsoptik ein optisches Element
enthält, welches aus einem Laserstrahl mit ursprünglich
rechteckigem Querschnitt einen Laserstrahl mit quadrati
schem Querschnitt erzeugt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend
anhand der Zeichnung näher erläutert; Es zeigen
Fig. 1: schematisch den Strahlengang bei einem ersten
Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungs
vorrichtung in der Nähe der Maske und des Werk
stückes;
Fig. 2: eine Darstellung, ähnlich der Fig. 1, bei einem
zweiten Ausführungsbeispiel einer Laserbearbei
tungsvorrichtung;
Fig. 3: den Strahlengang der Laserbearbeitungsvorrich
tung von Fig. 2, jedoch mit verringertem Ein
falls- und Ausfallswinkel;
Fig. 4: schematisch die Gesamtdarstellung eines Ausfüh
rungsbeispieles einer Laserbearbeitungsvorrich
tung mit mehreren Reflexionsspiegeln;
Fig. 5 und 6: in vergrößertem Maßstab perspektivisch
eine reale Anordnung der Reflexionsspiegel bei
der Vorrichtung von Fig. 4.
Die grundsätzlichen Verhältnisse der Maskenbeleuchtung
bei einer ersten Vorrichtung zur Laserbearbeitung sind
in Fig. 1 dargestellt. Diese zeigt als im wesentlichen
horizontalen Strich eine Maske 1, welche in bekannter
Weise mit einem Öffnungsmuster (nicht dargestellt) versehen
ist. Die Gesamttransmission dieser Maske liegt üblicher
weise unter 1%. Die Maske 1 wird von einem Objektiv,
im vorliegenden Falle von einer einzelnen Objektivlinse 2,
auf das Werkstück 3 abgebildet. Das die Maske 1 durch
tretende Laserlicht erzeugt ein Muster, welches dem
Öffnungsmuster der Maske 1 entspricht, in dem durch
das Objektiv 2 vorgegebenen Abbildungsmaßstab in dem
Werkstück 3.
Die Maske 1 ist in an und für sich bekannter Weise an
ihrer in Fig. 1 nach oben zeigenden Fläche verspiegelt,
so daß der einfallende Laserstrahl, dessen Randstrahlen
mit 4a und 4b und dessen optische Achse mit 4c bezeichnet
sind, an der Oberfläche der Maske 1 reflektiert wird, so
weit er nicht die in der Maske 1 enthaltenen Öffnungen
durchtritt.
Eine in Fig. 1 nicht dargestellte Strahlformungsoptik läßt
die Randstrahlen 4a, 4b des einfallenden Laserstrahles
unter einem Winkel β zur Achse 4c hin konvergieren. Die
Strahltaille der Strahlformungsoptik liegt, in Einfalls
richtung des Laserstrahles gesehen, hinter der Maske,
derart, daß die Randstrahlen 4a und 4b auf die seitlichen
Begrenzungslinien der Maske 1 fallen, der einfallende
Laserstrahl also die Maske 1 vollständig ausleuchtet.
Die Randstrahlen des die Maske 1 direkt durchtretenden
Laserstrahles sind in Fig. 1 mit 4a' und 4b' bezeichnet.
Soweit der einfallende Laserstrahl an der spiegelnden
Oberfläche der Maske 1 reflektiert wird, sind die ent
sprechenden Randstrahlen in Fig. 1 mit den Bezugszeichen
5a und 5b gekennzeichnet. Die optische Achse des reflek
tierten Laserstrahles trägt das Bezugszeichen 5c.
Durch die nicht dargestellte Strahlformungsoptik wird der
Laserstrahl in der Strahltaille F zusammengeführt, wonach
die Randstrahlen 5a und 5b divergieren. Der reflektierte
Laserstrahl fällt sodann hinter der Strahltaille F auf
einen Hohlspiegel 6, dessen Abbildungseigenschaften
so gewählt sind, daß der Laserstrahl in sich zurückreflek
tiert wird, also erneut in der Strahltaille F gebündelt
wird und sodann erneut so divergiert, daß er auf seinem
"Rückweg" die Maske 1 erneut vollständig ausleuchtet. Die
Randstrahlen dieses Strahls, soweit sie die Maske 1
durchtreten, sind in Fig. 1 mit den Bezugszeichen 5a'
und 5b' gekennzeichnet. Alle zwischen den Randstrahlen
5a' und 5b' liegenden, die Maske 1 durchtretenden Strahlen
werden von dem Objektiv 2 auf das Werkstück 3 abgebildet.
Der vom Hohlspiegel 6 zurückreflektierte Strahl wird
selbstverständlich ebenfalls an der Oberfläche der Maske
1 zum größeren Teil reflektiert, wobei seine Randstrahlen
wieder mit den Randstrahlen 4a, 4b des einfallenden
Laserstrahles zusammenfallen.
Aus den obigen Betrachtungen folgt, daß durch die gezielte
Abbildung des an der Oberfläche der Maske 1 reflektierten
Laserstrahles durch den Hohlspiegel 6 eine annäherende
Verdoppelung des auf die Oberfläche des Werkstückes 3
gelangenden Laserstrahlanteiles erzielt werden kann, dies
mit einer äußerst geringen Strahldivergenz.
Der in Fig. 2 dargestellte Strahlengang entspricht weit
gehend demjenigen von Fig. 1; entsprechende Teile sind
daher mit demselben Bezugszeichen zuzüglich 100 gekenn
zeichnet. In Fig. 2 sind wieder zu erkennen die Maske
101, das Objektiv 102, das Werkstück 103 sowie der abbil
dende Hohlspiegel 106. Zusätzlich ist, direkt der Maske
101 benachbart, eine Kondensorlinse 107 vorgesehen.
Während bei dem in Fig. 1 dargestellten Strahlengang die
Strahltaille der in der Zeichnung nicht dargestellten
Strahlformungsoptik hinter der Maske 1 lag, ist die zu
dem Strahlengang von Fig. 2 gehörende Strahlformungsoptik
so ausgelegt, daß eine Strahltaille F erzeugt wird, die
im Abstand f vor der Maske liegt. f ist die Brennweite
der Kondensorlinse 107. Die Randstrahlen 104a' und 104b'
verlaufen somit nach dem Durchtritt durch die Kondensor
linse 107 parallel; sie sind unter dem Einfallswinkel α
gegen die optische Achse 108 des Gesamtsystemes geneigt.
Die an der spiegelnden Oberfläche der Maske 101 reflek
tierten, parallelen Strahlen durchtreten die Kondensor
linse 107 ein zweites Mal und werden von dieser in einer
Strahltaille F' gesammelt, welche der Strahltaille F des
einfallenden Laserstrahles symmetrisch gegenüberliegt.
Die Strahltaille F' entspricht der Strahltaille F des
Strahlenganges von Fig. 1, wie überhaupt der Strahlengang
des an der Maske 101 reflektierten Strahlanteils zwischen
der Kondensorlinse 107 und dem Hohlspiegel 106 vollständig
identisch dem Strahlengang von Fig. 1 ist.
Dies bedeutet insbesondere, daß der vom Hohlspiegel 106
reflektierte Strahl erneut in die Strahltaille F' gesam
melt wird, die Kondensorlinse 107 durchtritt und von dieser
parallelisiert wird. Die entsprechenden, die Maske 101
durchtretenden Strahlanteile weisen also parallele Rand
strahlen 105a' und 105b' auf, wobei deren Neigung zur
optischen Achse 108 des Gesamtsystemes erneut dem Ein
fallswinkel α des einfallenden Laserstrahles entspricht.
Soweit der vom Hohlspiegel 106 zurückreflektierte Laser
strahl an der spiegelnden Oberfläche der Maske 101 erneut
reflektiert wird, deckt sich dieser Strahlengang mit dem
Strahlengang des einfallenden Laserstrahles.
In Fig. 2 wurde für den einfallenden Laserstrahl derselbe
Einfallswinkel α wie in Fig. 1 gewählt. Während jedoch
bei der Vorrichtung von Fig. 1 dieser Einfallswinkel
nicht mehr nennenswert verkleinert werden kann, zeigt
Fig. 2, daß bei dem gewählten Einfallswinkel α Platz
"verschenkt" wird, daß also der Einfallswinkel α wesent
lich reduziert werden kann. Dies ist - bei im übrigen
unveränderter Vorrichtung - in Fig. 3 geschehen. Hier
ist der Einfallswinkel α' deutlich kleiner als der Ein
fallswinkel α in den Fig. 1 und 2. Entsprechend ist
die Divergenz der die Maske 101 durchtretenden Strahlen
bündel erheblich kleiner. Hieraus wird der Nutzen der
in Fig. 2 und 3 gegenüber Fig. 1 zusätzlich vorhande
nen Kondensorlinse 107 deutlich.
Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 3 war
nur ein einziger Hohlspiegel 106 vorgesehen, der das an
der spiegelnden Oberfläche der Maske 1 bzw. 101 reflek
tierte Laserlicht ein einziges Mal zurück auf die Maske
abbildete. Das hier dargestellte Prinzip läßt sich jedoch
vervielfachen, indem eine entsprechende Anzahl zusätzli
cher reflektierender Spiegel vorgesehen wird. Das Prinzip
einer entsprechend ausgestalteten Laserbearbeitungsvor
richtung ist in Fig. 4 dargestellt. Das von einer Laser
lichtquelle 210 erzeugte Licht durchtritt einen "Homoge
nisierer" 211, welcher dem Laserstrahl ein im wesentli
chen über den gesamten Querschnitt hinweg konstantes Ener
giedichteprofil verleiht. Der so "homogenisierte" Laser
strahl durchläuft dann eine verschiedene Strahlformungs
elemente umfassende Strahlaufbereitungsvorrichtung, die
insgesamt mit dem Bezugszeichen 212 versehen ist und die
oben bereits erwähnte Strahlformungsoptik umfaßt. Durch
zwei Planspiegel 213 und 214 wird der Laserstrahl unter
einem bestimmten Einfallswinkel auf die Maske 201 gerichtet.
Der das Öffnungsmuster in der Maske 201 durchtretende
Strahlanteil wird in der schon erwähnten Weise von dem
Objektiv 202 auf das Werkstück 203 abgebildet.
Der an der spiegelnden Oberfläche der Maske 201 reflek
tierte Strahlanteil fällt auf einen Umlenkspiegel 215,
welcher diesen Strahl zunächst in einer Richtung etwa
senkrecht zur optischen Achse des Gesamtsystemes auf einen
abbildenden Hohlspiegel 216 umlenkt. Der abbildende
Hohlspiegel 216 ist so justiert, daß er ähnlich den
Hohlspiegeln 6 und 106 der Fig. 1 bis 3 den Laser
strahl zurück auf die Maske 201 leitet und diese ausleuch
tet. Der die Maske 201 durchtretende Strahlanteil wird
zur Bearbeitung des Werkstückes 203 genutzt; der an der
Maske 201 reflektierte Strahlanteil fällt auf einen zweiten
Umlenkspiegel 217, welcher das Laserlicht wiederum in einer
Ebene annähernd senkrecht zur optischen Gesamtachse
auf einen zweiten abbildenden Hohlspiegel 218 wirft.
Dieser leuchtet erneut die Maske 201, wiederum aus einer
anderen Richtung gegenüber der optischen Gesamtachse, aus.
Ein Teil dieses Laserstrahles durchtritt die Maske 201 und
gelangt auf das Werkstück 203, während der reflektierte
Strahlanteil auf einen dritten Umlenkspiegel 219 und
von diesem in einer Ebene im wesentlichen senkrecht zur
optischen Gesamtachse auf einen dritten abbildenden
Hohlspiegel 220 fällt. Dieser leuchtet die Maske 201 ein
viertes Mal, erneut aus einer anderen Richtung gegenüber
der optischen Gesamtachse, aus, so daß ein vierter Strahl
anteil auf das Werkstück 203 fallen kann. Der diesmal an
der spiegelnden Oberfläche der Maske 201 reflektierte
Strahl wird, ähnlich wie bei den in den Fig. 1 bis
3 dargestellten Strahlengängen, auf einen letzten abbil
denden Hohlspiegel 221 gebracht, der den Laserstrahl in
sich zurückspiegelt. Dieser reflektierte Strahlanteil
durchläuft also alle oben erwähnten Spiegelpaare ein
zweites Mal in der umgekehrten Richtung. Dies bedeutet,
daß in der beschriebenen Anordnung die Maske 201 insgesamt
(also einschließlich des einfallenden Laserstrahles)
achtmal ausgeleuchtet, der von der Laserlichtquelle 210
erzeugte Laserstrahl also annähernd achtmal besser ausge
nutzt wird als ohne Verwertung des an der spiegelnden
Oberfläche der Maske reflektierten Strahlanteiles.
Wie oben erläutert, wird beim Ausführungsbeispiel von
Fig. 4 die an der Oberfläche der Maske 201 reflektierte
Strahlung mehrfach über ein Spiegelpaar geleitet. Die
Anordnung und Justierung sind dabei so gewählt, daß durch
die beiden Spiegel jeden Paares der auf die Maske 201
zurückgeführte Strahl gegenüber dem von der Maske 201
ausgehenden Strahl um 90° verdreht wird. Dieser Effekt
läßt sich vorteilhafterweise zur Homogenisierung der
Energiedichte auf der Maske 201 in folgender Weise verwenden:
Die bekannten Bauarten von Homogenisierern, wie sie für das Bauteil 211 der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung eingesetzt werden, lassen zwar eine verhältnismäßig gute Homogenisierung des Laserstrahles in einer von zwei senk recht aufeinander stehenden Richtungen zu. Dies ist für viele Laserlichtquellen 210 durchaus ausreichend, da bei diesen der erzeugte Laserstrahl nur in einer Richtung ein inhomogenes Energiedichteprofil (z. B. eine gaußkurvenför mige Verteilung), in der hierzu senkrechten Richtung dagegen ein verhältnismäßig konstantes Energiedichteprofil von Hause aus aufweist. Es gibt jedoch Laserlichtquellen, für welche dies nicht gilt: Sie haben in beiden aufeinander senkrecht stehenden Richtungen ein inhomogenes Energiedich teprofil. In diesen Fällen kann bei der Anordnung von Fig. 4 wie folgt vorgegangen werden:
Der Homogenisierer 211 wird so ausgelegt, daß er den Laserstrahl in einer Richtung nicht vollständig homoge nisiert, sondern statt dessen ein Energiedichteprofil in dieser Richtung erzeugt, welches zu dem Energiedichte profil des Laserstrahles in der hierzu senkrechten Rich tung annähernd "komplementär" ist. Unter "komplementär" wird hier verstanden, daß durch die Addition der beiden Energiedichteprofile ein annähernd konstantes Energiedich teprofil erzielt wird.
Die bekannten Bauarten von Homogenisierern, wie sie für das Bauteil 211 der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung eingesetzt werden, lassen zwar eine verhältnismäßig gute Homogenisierung des Laserstrahles in einer von zwei senk recht aufeinander stehenden Richtungen zu. Dies ist für viele Laserlichtquellen 210 durchaus ausreichend, da bei diesen der erzeugte Laserstrahl nur in einer Richtung ein inhomogenes Energiedichteprofil (z. B. eine gaußkurvenför mige Verteilung), in der hierzu senkrechten Richtung dagegen ein verhältnismäßig konstantes Energiedichteprofil von Hause aus aufweist. Es gibt jedoch Laserlichtquellen, für welche dies nicht gilt: Sie haben in beiden aufeinander senkrecht stehenden Richtungen ein inhomogenes Energiedich teprofil. In diesen Fällen kann bei der Anordnung von Fig. 4 wie folgt vorgegangen werden:
Der Homogenisierer 211 wird so ausgelegt, daß er den Laserstrahl in einer Richtung nicht vollständig homoge nisiert, sondern statt dessen ein Energiedichteprofil in dieser Richtung erzeugt, welches zu dem Energiedichte profil des Laserstrahles in der hierzu senkrechten Rich tung annähernd "komplementär" ist. Unter "komplementär" wird hier verstanden, daß durch die Addition der beiden Energiedichteprofile ein annähernd konstantes Energiedich teprofil erzielt wird.
Zur näheren Erläuterung sei nachfolgend der Fall betrach
tet, bei welchem die Laserlichtquelle 210 einen Laser
strahl erzeugt, der in einer Richtung das bereits ange
sprochene, annähernd gaußkurvenförmige Energiedichteprofil
aufweist, während er in der hierzu senkrechten Richtung
ein Energiedichteprofil zeigt, welches von außen her ge
sehen konvex gekrümmt ist, also seitlich etwas abfallende
Flanken besitzt. Der Homogenisierer 211 formt den Laser
strahl so um, daß er in der ersten, ursprünglich gauß
kurvenförmiges Energiedichteprofil aufweisenden Rich
tung eine Energiedichteverteilung erhält, welche, von
außen her gesehen, etwas konkav ist, also seitlich anstei
gende Flanken aufweist. In der zweiten Richtung ist der
Laserstrahl nach dem Durchtritt durch den Homogenisierer
211 unverändert, weist also nach wie vor das "konvexe"
Energiedichteprofil auf. In der Strahlaufbereitungsvor
richtung 212 wird durch geeignete Zylinderlinsen erreicht,
daß der Querschnitt des Laserstrahles quadratisch wird.
Mit dem so erzielten Querschnitt und dem so erreichten
Energiedichteprofil in zwei zueinander senkrecht stehenden
Richtungen trifft nun der Laserstrahl vom Umlenkspiegel
214 das erstemal auf die Maske 201. Der an der spiegelnden
Oberfläche der Maske 201 reflektierte Strahlanteil wird
von den beiden Spiegeln 215, 216 um 90° verdreht, so daß
der vom abbildenden Hohlspiegel 216 auf die Maske 201
zurückgelangte Strahl dort den einfallenden Strahl in
einer Weise überlagert, daß "komplementäre" Energiedichte
profile übereinanderliegen und sich so zu einem im wesent
lichen konstanten Energiedichteprofil addieren. Die
entsprechende Drehung des Laserstrahles um 90° wird beim
Passieren jedes Spiegelpaares 217, 218 und 219, 220
wiederholt. Im Ergebnis wird die Maske 201 so mit Laser
licht mehrfach ausgeleuchtet, daß dort das Energiedichte
profil über den gesamten Querschnitt im wesentlichen
konstant ist.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine realistische Anordnung
der verschiedenen Spiegel 215 bis 221 der Vorrichtung
von Fig. 4 in etwas vergrößertem Maßstab. Tatsächlich
haben die einzelnen Spiegel einen Durchmesser von etwas
mehr als 1 cm. Die zu der Vorrichtung gehörende Maske
201 ist in den Fig. 5 und 6 nicht dargestellt. Sie besitzt
von diesen Spiegeln einen Abstand in der Größenord
nung von 1 m. Auf diese Weise wird eine Divergenz des
Strahlenbündels erreicht, die in der Größenordnung von
25 mrad liegt.
Fig. 5 zeigt die verschiedenen Spiegel im wesentlichen
in Richtung der geometrischen Achse der Gesamtvorrichtung
(Pfeil V in Fig. 4), während die Fig. 6 eine Ansicht
von der Seite gemäß Pfeil VI von Fig. 5 darstellt.
Claims (9)
1. Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes mit
- a) einer Laserlichtquelle;
- b) mindestens einer ein bestimmtes Öffnungsmuster aufweisenden Maske, die an ihrer der Laserlichtquelle zugewandten Fläche verspiegelt ist;
- c) einer Strahlformungsoptik, welche aus dem von der Laserlicht quelle erzeugten Laserstrahl ein Laserstrahlbündel formt und dieses so auf die Maske wirft, daß die gesamte Maske ausge leuchtet wird;
- d) einer Spiegeleinrichtung, welche den von der verspiegelten Oberfläche der Maske reflektierten Anteil des Laserstrahlbün dels erneut auf die Maske zurückwirft;
- e) mindestens einem abbildenden optischen Element, welches das von der Spiegeleinrichtung zurückgeworfene Laserstrahlbün del auf die Maske wirft,
- a) die vollflächige Reflexion aller im Laserstrahlbündel enthaltener Teilstrahlen an der Spiegeleinrichtung (6; 106; 215 bis 221) im wesentlichen unter einem Reflexionswinkel von 90° stattfindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spiegeleinrichtung mindestens einen Hohl
spiegel (6; 106; 216, 218, 220, 221) umfaßt, der gleich
zeitig als abbildendes optisches Element dient.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spiegeleinrichtung mindestens einen Plan
spiegel umfaßt und als optisches abbildendes Element zu
sätzlich eine Linse vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformungsoptik so
eingerichtet ist, daß die von ihr erzeugte Strahltaille (F)
hinter der Maske liegt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Strahlformungsoptik so einge
richtet ist, daß die von ihr erzeugte Strahltaille (F)
in einem Abstand (f) vor der Maske (101) liegt und daß
unmittelbar vor der Maske (101) eine Kondensorlinse (107)
angeordnet ist, deren Brennweite f ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeleinrichtung
eine Mehrzahl von Spiegelpaaren (215/216, 217/218, 219/
220) umfaßt, von denen jeweils der eine den von der Maske
(201) reflektierten Laserstrahl auf den anderen umlenkt,
der dann den Laserstrahl aus einer anderen Richtung auf
die Maske (201) zurückwirft.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß am Ende des Lichtweges durch die verschiedenen
Spiegelpaare (215/216, 217/218, 219/220) ein einzelner
Spiegel (221) vorgesehen ist, der den Laserstrahl in sich
zurückreflektiert.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher die
Laserlichtquelle einen Laserstrahl erzeugt, der in
zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen ein inhomogenes
Energiedichteprofil aufweist, mit einer der
Laserlichtquelle nachgeschalteten Homogenisiereinrich
tung, welche auf der Maske eine konstante Energiedichte
verteilung des Laserstrahles erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) die Homogenisiereinrichtung (211) so ausgebildet ist, daß sie nur auf das Energiedichteprofil des Laserstrah les in einer Richtung einwirkt und dieses so verändert, daß es im wesentlichen komplementär zum unveränderten Energiedichteprofil der anderen Richtung ist, und
- b) die beiden Spiegel in den Spiegelpaaren (215/216, 217/ 218, 219/220) so eingerichtet sind, daß der Laserstrahl, der von der Maske (201) zu dem Spiegelpaar (215/216, 217/218, 219/220) verläuft, gegenüber dem von dem Spie gelpaar (215/216, 217/218, 219/220) kommenden, auf der Maske (201) auftreffenden Laserstrahl um 90° ver dreht ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlformungsoptik (212) ein optisches Element
enthält, welches aus einem Laserstrahl mit ursprünglich
rechteckigem Querschnitt einen Laserstrahl mit quadrati
schem Querschnitt erzeugt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19724061A DE19724061C2 (de) | 1997-06-07 | 1997-06-07 | Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19724061A DE19724061C2 (de) | 1997-06-07 | 1997-06-07 | Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19724061A1 DE19724061A1 (de) | 1998-12-10 |
DE19724061C2 true DE19724061C2 (de) | 2001-11-22 |
Family
ID=7831787
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19724061A Expired - Fee Related DE19724061C2 (de) | 1997-06-07 | 1997-06-07 | Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19724061C2 (de) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5011253A (en) * | 1987-12-08 | 1991-04-30 | Flemming Olsen | Optical system for laser marking |
DE4106423C2 (de) * | 1990-04-28 | 1995-08-24 | Mitsubishi Electric Corp | Laser-Bearbeitungsvorrichtung |
DE4217811C2 (de) * | 1991-05-30 | 1996-01-25 | Mitsubishi Electric Corp | Optische Bearbeitungsvorrichtung |
US5601733A (en) * | 1993-09-30 | 1997-02-11 | Cymer, Inc. | Full field mask illumination enhancement methods and apparatus |
-
1997
- 1997-06-07 DE DE19724061A patent/DE19724061C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19724061A1 (de) | 1998-12-10 |
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