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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Laser-Ablation nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1.
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Laser-Ablation
als Form der Materialbearbeitung mittels eines Lasers tritt bei
Bestrahlung eines Substrates mit kurzen, intensiven Laserpulsen
auf. Der wesentliche Aspekt dabei ist, dass die Laserenergie im
Substrat in einem so kurzen Zeitraum absorbiert wird, dass die Anregung
der Elektronen nicht über
das Substrat verteilt werden kann. Die Anregungsenergie wird im
Bereich der eingedrungenen Strahlung in Bewegung der Atome umgesetzt,
das Material explodiert gewissermaßen. Als Resultat der Ablation
entstehen Löcher
im bestrahlten Material mit ideal sehr glatten Wänden. Oft sind die Löcher wesentlich
tiefer als die Tiefenschärfe
des Abbildungsobjektives. Das schon angebohrte Loch wirkt als Lichtleiter
für weitere
Pulse. Dabei spielen die Polarisationseigenschaften des Lichtes
eine wichtige Rolle, da Reflexionskoeffizienten (hier: der Seitenwand des
Loches) polarisationsabhängig
sind. Dadurch können
sich beim Bohren mit polarisiertem Licht aus runden Eintrittslöchern ovale
Austrittslöcher
ausbilden.
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Es
gibt zahlreiche Anwendungen für
diese Laser-Ablation bspw. im Bereich von Polymer-Materialien. Einige
dieser Anwendungen erfordern sehr anspruchsvolle Toleranzen und
eine gute Wiederholbarkeit. Beispiele hierfür sind die Herstellung von
Tintenstrahl-Druckkopfdüsen
und die Herstellung von Medikamentenausgabedüsen. Bei der Herstellung derartiger
Düsen sind
die exakte Größe, die
Form und die Reproduzierbarkeit dieser Parameter besonders wichtig.
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In
derartigen Vorrichtungen zur Laser-Ablation von Substraten verursachen
optische Komponenten wie beispielsweise variable Abschwächer aufgrund
unterschiedlicher Transmissionsgrade für die s- und die p-Komponente
des einfallenden Laserlichts eine Teilpolarisation des Laserlichts.
Der Polarisationsgrad variiert darüber hinaus mit der Stellung der
optischen Komponenten in Abschwächern
und kann bis zu 60 % erreichen. Polarisiertes Laserlicht ist gerade
bei Anwendungen wie dem Lochbohren für hochpräzise Düsen ungünstig, da hierdurch bei den extrem
kleinen Löchern
mit Durchmessern von weniger als 10 μm ovale statt runde Austrittslöcher erzielt werden.
Ein variabler Polarisationsgrad wirkt sich zudem ungünstig bei
der Verwendung von Strahlteilern im Strahlführungssystem aus, da das Teilungsverhältnis bei
dielektrisch beschichteten Strahlteilern vom Polarisationsgrad abhängt.
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Systeme
mit mehreren Linien lassen sich daher nicht über einen einzigen Abschwächer regeln, wenn
die Strahlung derart polarisiert ist.
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Aus
diesem Grund wurde bereits in der
EP 1 131 184 B1 ein System zum Ablatieren
von Strukturen durch Laserlicht entwickelt, bei dem das Laserlicht
gezielt polarisiert wird, um so die Form der zu ablatierenden Struktur
wie beispielsweise eines Loches gezielt beeinflussen und somit wiederholbar
machen zu können.
Hierfür
wird eine rotierende Verzögerungsplatte,
wie beispielsweise eine λ/2-
oder eine λ/4-Platte
im Strahlengang verwendet, welche so ausgerichtet wird, dass der
Strahl nach dem Durchtritt eine festgelegte Polarisation aufweist,
die eine bestimmte Form der ablatierten Struktur bedingt. Derartige
Verzögerungsplatten
sind jedoch schwer in der für
diese Systeme benötigten
Größe herzustellen und
ihre Lebensdauer ist insbesondere bei der bevorzugten Laserstrahlung
von 248 nm gering. Ferner ist die Konstruktion und Steuerung einer
bewegten Platte im Laserstrahlengang aufwändig und damit vergleichsweise
teuer.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
hochpräzisen
Laser-Ablation so
auszubilden, dass die ablatierten Strukturen eine definierte Größe und Form
hochpräzise
und wiederholbar aufweisen, wobei die hierfür notwendigen Veränderungen
des Systems mit möglichst
wenig Aufwand vorgenommen werden können.
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Gelöst wird
die Aufgabe gemäß der Erfindung
durch eine Vorrichtung zur hochpräzisen Laser-Ablation mit den Merkmalen von Anspruch
1.
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Erfindungsgemäß wird in
Strahlrichtung hinter dem Abschwächer
ein Depolarisator eingesetzt. Dadurch dass der Laserstrahl depolarisiert
wird, also praktisch alle Polarisationsrichtungen gleichermaßen in ihm
vertreten sind, kann der Einfluss der Polarisation auf die Ablation
der Strukturen im Substrat völlig eliminiert,
bzw. von vornherein ausgeschlossen werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
der Depolarisator mit dem Abschwächer
kombiniert. Dadurch ist der Depolarisator vor dem Teleskop angeordnet,
wo der Strahlquerschnitt im Allgemeinen noch kleiner ist. Somit
kann auch der Depolarisator kleiner ausgeführt werden, was eine Kostenreduktion
des Systems begünstigt.
Insbesondere hat es sich gezeigt, dass besonders der Abschwächer eine
Polarisation des Laserlichts verursacht, während die nachfolgenden Komponenten
der Vorrichtung wie Teleskop, Homogenisierer oder Abbildungslinsen
den Polarisationsgrad im wesentlichen nicht ändern. Deshalb wird eine Depolarisation,
welche nach dem Abschwächer
erreicht wird, innerhalb des Systems bis zum zu bearbeitenden Substrat
beibehalten, ohne einen weiteren Depolarisator vorsehen zu müssen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, den Depolarisator als Keildepolarisator
auszubilden. Ein Keildepolarisator kann in einer sehr schmalen,
kompakten Ausführungsform
realisiert werden und dadurch ohne größere Modifikationen an den
herkömmlichen
Aufbauten vorzunehmen einfach in bestehende Systeme bzw. deren optische Komponenten
integriert werden.
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Bevorzugt
ist der Keildepolarisator aus zwei entgegengesetzt aufeinander beabstandet
montierten Keilen aufgebaut. Ein Keil besteht aus doppelbrechendem
Material, z.B. kristallinem Quarz oder Magnesiumfluorid. Dieser
erzeugt räumlich
dicht nebeneinander sämtliche
Polarisationszustände
des transmittierten Lichts, so dass in der Summe unpolarisiertes
Licht den Keil verlässt.
Der Quarzglas-Gegenkeil dient lediglich der Kompensation der Strahlablenkung.
Zum Beibehalten des geringen Abstands zwischen den beiden Keilen
ist ein Abstandshalter nötig, der
jedoch sehr dünn
sein kann. Hier eignet sich ein Blechrahmen, ein Papierstreifen
oder ähnliches.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Gegenkeil aus UV-Quarzglas (z.B. Suprasil) realisiert. Dieses
Material eignet sich besonders gut für diese Anwendung, da es sehr
homogen ist und eine hohe Transmission bei 248 nm Wellenlänge aufweist.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen im
Zusammenhang mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das anhand
der Zeichnungen eingehend erläutert
wird. Es zeigen:
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1:
Schematisch den Aufbau einer herkömmlichen Vorrichtung zur hochpräzisen Laser-Ablation,
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2:
eine Vorrichtung entsprechend der in 1 gezeigten,
jedoch mit einem Depolarisator und
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3:
den schematischen Aufbau eines Keildepolarisators.
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1 zeigt
schematisch den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Laser-Ablation,
wie er beispielsweise zum Bohren von Löchern für Tintenstrahldüsen, zur
Bearbeitung von beispielsweise Kupferfolien oder zum Bohren von
Mikrovias verwendet wird. Ein Laser 1 emittiert den zur
Ablation des Substrats 2 verwendeten Laserstrahl 3.
Das Laserlicht 3 wird hierfür in kurzen Pulsen im Nanosekundenbereich
und mit sehr hoher Intensität,
bis zu Megawattbereichen, abgestrahlt. Als Laser können beispielsweise
YAG-Laser oder Excimer-Laser
oder andere Hochleistungslaser vorzugsweise im UV-Bereich verwendet
werden. Der emittierte Laserstrahl 3 durchläuft üblicherweise
einen Abschwächer 4 in dem
die Strahlintensität
auf einen konstanten Wert begrenzt oder anderweitig reguliert wird.
Dieser Abschwächer
besteht aus zwei speziell beschichteten Optiksubstraten 41 und 42,
die gegeneinander verstellbar sind. Anschließend wird der Laserstrahl 3 von einem
Teleskop 5 auf die Eintrittsblende des Homogenisierers 6 hin
aufgeweitet und kollimiert. Der Homogenisierer 6 weist
zwei Paar Zylinderlinsen-Arrays auf, welche den Laserstrahl 3 so
durchmischen, dass die Intensitätsverteilung über die
gesamte Querschnittsfläche
des Laserstrahls 3 im wesentlichen gleichmäßig ist.
Der Laserstrahl 3 wird aus gerätetechnischen Gründen durch
Umlenkspiegel 7, 8 und 9 umgelenkt und
trifft schließlich
auf eine Gruppe von Feldlinsen 10, die ihn auf die Eintrittsblende
des Abbildungsobjektives 11 projizieren. In der Trennebene der
Linsengruppe 11 befindet sich die abzubildende Maske 12.
Diese Maske 12 wird nun über das Abbildungsobjektiv 11 auf
das Substrat bzw. Werkstück 2 abgebildet.
Dieses Substrat 2 liegt üblicherweise auf einer nicht
dargestellten computergesteuerten Positioniereinheit, die das Substrat
zum Ablatieren unter den Laserstrahl 3 bewegt. Handelt
es sich bei der Maske 12 beispielsweise um eine Lochmaske,
so können
im Substrat 2 mittels des Laserstrahls 3 Löcher beispielsweise
für Tintenstrahldüsen gebohrt werden.
Bei diesem Aufbau kommt es jedoch insbesondere beim Bohren sehr
kleiner Löcher,
d.h. bei Löchern
mit einem Austrittslochdurchmesser unter 10 μm zum Auftreten von ovalen statt
runden Bohrlöchern
im Substrat 2.
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Um
derartige Deformationen von ablatierten Formen wie beispielsweise
Bohrlöchern
zu verhindern, wurde das in 1 gezeigte
System erfindungsgemäß weiterentwickelt.
Der verbesserte Aufbau ist in 2 dargestellt.
Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem bereits beschriebenen,
jedoch wurde in der Abschwächereinheit 4 ein
Keildepolarisator 13 integriert. Dieser dient dazu, die
durch das dielektrisch beschichtete Abschwächersubstrat 41, mit
vom Stellwinkel abhängiger
Transmission, und die Kompensatorplatte 42, zur Kompensation
des Strahlversatzes, des Abschwächers 4 bedingte
Teilpolarisation des Laserstrahls 3 wieder aufzuheben, so
dass schließlich
ein unpolarisierter Laserstrahl das folgende Abbildungssystem durchläuft und
auf das Substrat 2 abgebildet wird. Diese Depolarisation des
Laserstrahls bewirkt, dass nunmehr die Muster in der Maske unverzerrt
auch in tiefere Lochregionen projiziert werden, so dass z.B. runde
Löcher
in der Maske auf dem Substrat auch zu runden Austrittsbohrlöchern führen. Die
Anordnung des Depolarisators 13 in der Abschwächereinheit 4 selbst
oder in deren Nähe
ist vorteilhaft, da ein Depolarisator 13 an dieser Position
noch sehr kompakt gehalten werden kann und einfach in ein vorhandenes
System integrierbar ist. Prinzipiell kann der Depolarisator 13 aber auch
an jeder anderen Stelle im Strahlengang in Strahlrichtung hinter
den Abschwächerspiegeln
angeordnet werden.
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Der
Depolarisator 13, der in diesem System Verwendung findet,
besteht aus zwei in 3 detaillierter dargestellten
entgegengesetzt aufeinander montierten Keilen 131 und 132.
Der Keil 131, in den der Laserstrahl 3 zuerst
eintritt, besteht aus kristallinem Quarz, welcher sämtliche
Polarisationszustände des
transmittierten Laserlichts 3 erzeugt, wenn die Kristallachse
geeignet orientiert ist. Der Gegenkeil 132 ist aus Suprasil,
einem synthetischen Quarzglas, aufgebaut. Er dient dazu, die Strahlablenkung
zu kompensieren. Die beiden Keile sind entgegengesetzt aufeinander
montiert und werden von einem sehr dünnen Abstandshalter wie beispielsweise
einem Papierstreifen getrennt. Der Keildepolarisator kann typischerweise
für die
Ablation mittels eines Excimer-Lasers 1 mit einer Größenordnung
von ca. 60 mm Höhe
und 30 mm Breite vergleichsweise klein gehalten werden, wenn er
direkt nach dem Abschwächer 4 angeordnet
ist.
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- 1
- Laser,
Excimer-Laser
- 2
- Substrat,
Werkstück
- 3
- Laserstrahl
- 4
- Abschwächer
- 5
- Teleskop
- 6
- Homogenisierer
- 7
- Umlenkspiegel
- 8
- Umlenkspiegel
- 9
- Umlenkspiegel
- 10
- Feldlinsen
- 11
- Abbildungsobjektiv
- 12
- Maske
- 13
- Depolarisator,
Keildepolarisator
- 131
- Keil
- 132
- Keil
- 41
- Abschwächersubstrat
- 42
- Kompensatorplatte