WO2001043243A2

WO2001043243A2 - Lasersystem mit steuerbarer pulsdauer

Info

Publication number: WO2001043243A2
Application number: PCT/DE2000/004314
Authority: WO
Inventors: Rainer Waser; Oliver Baldus; Wolfgang Krasser
Original assignee: Forschungszentrum Jülich GmbH
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 2000-12-04
Publication date: 2001-06-14
Also published as: DE19959862A1; WO2001043243A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit steuerbarer Pulsdauer, mit einer Erzeugungseinrichtung (10), die wenigstens einen Pulslaser (22) aufweist und derart ausgebildet ist, dass sie einen ersten Laserstrahl (16) und einen von diesem räumlich getrennten zweiten Laserstrahl (18) erzeugt; einer Verschiebungseinrichtung (12), die derart ausgebildet ist, dass sie den zweiten Laserstrahl (18) zeitlich gegenüber dem ersten Laserstrahl (16) verschiebt; und einer Zusammenführungseinrichtung (14), die derart ausgebildet ist, dass sie die beiden räumlich getrennten Laserstrahlen (16, 18) in einem Ausgangsstrahl (20) zusammenführt. Dieses Lasersystem ist besonders zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung einer kristallisierten keramischen Schicht durch Laser-Annealing geeignet, wobei das Temperaturprofil in der keramischen Schicht durch Steuerung der Pulsdauer des Ausgangsstrahls dieses Lasersystems eingestellt wird.

Description

LASERSYSTEM MIT STEUERBARER PULSDAUER

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit steuerbarer Pulsdauer.

Ein derartiges Lasersystem ist in Gestalt eines Lasers mit Güteschaltung (auch als „Q-Switch-Laser" bezeichnet) bekannt. Durch die Güteschaltung wird die Emissi- onsdauer des Lasers verkürzt, um die Spitzenleistung bei gegebener Pumpenergie zu erhöhen. Bei normalen Pulsbetrieb wird zum Beispiel bei Nd-YAG- Festkörperlasern ein Pumpimpuls von etwa 100 μs Dauer eingestrahlt. Bei genügender Pumpleistung schwingt der Laser nach einigen μs an, und es entsteht während der gesamten restlichen Pumpdauer Laserstrahlung. Zur Erhöhung der Leis- tung des Laserimpulses kann man den Laser erst dann anschwingen lassen, wenn während des Pumpprozesses die maximale Besetzungsinversion erreicht ist. Dies ist am Ende des Pumpimpulses der Fall, falls die Lebensdauer des oberen Niveaus größer als die Pumpdauer ist. Durch die Güteschaltung wird der Resonator erst während des Pumpens zugeschaltet, das heißt, dass zunächst der Strahlengang zwischen den Spiegeln unterbrochen wird oder die internen Verluste erhöht werden und dass erst am Ende des Pumpimpulses der Resonator freigegeben wird. Aufgrund der dann bestehenden hohen Inversion entsteht ein kurzer Laserimpuls mit hoher Spitzenleistung.

Mit der Güteschaltung wird also im Vergleich zum normalen Pulsbetrieb die Puls- dauer des Lasers verkürzt. Es können dabei Pulsdauern von wenigen ns und Spitzenleistungen im GW-Bereich erreicht werden.

Es ist außerdem bekannt, ein Lasersystem mit steuerbarer Pulsdauer aus einem cw-Laser und einem Modulator aufzubauen, der den kontinuierlichen Laserstrahl des cw-Lasers periodisch unterbricht. Als Modulator werden beispielsweise mecha- nische Modulatoren, wie rotierende Schlitzscheiben (auch als „Chopper" bezeichnet), und elektrooptische Modulatoren wie Pockels-Zellen oder Kerr-Zellen verwendet. Mit einem derartigen Lasersystem können Impulse erzeugt werden, deren Pulsdauer deutlich größer als diejenige der bekannten Pulslaser ist. Auf der anderen Seite ist jedoch die Spitzenleistung der Impulse durch die kontinuierliche Leistung des cw-Lasers begrenzt, wohingegen die bekannten Pulslaser deutlich höhere Spitzenleistungen liefern können.

Es gibt nun Anwendungsfälle, in denen zum einen eine hohe Spitzenleistung, wie sie nur von Pulslasern geliefert werden kann, benötigt wird, so dass Lasersysteme aus cw-Laser und Modulator nicht in Frage kommen, und in denen zum anderen auch Pulsdauern gewünscht werden, die größer als diejenigen der Pulslaser sind, so dass auch das oben erwähnte bekannte Lasersystem in Gestalt des Q-Switch- Lasers nicht in Frage kommt, da dessen Pulsdauer nach oben durch die Pulsdauer des im normalen Pulsbetrieb, das heißt ohne Güteschaltung betriebenen Pulslasers begrenzt ist.

Derartige Anwendungsfälle liegen beispielsweise auf dem Gebiet der Materialbearbeitung. So wird bei der Erzeugung von Dünnschichten aus elektrokeramischem Material bevorzugt sichtbares oder ultraviolettes Licht mit hoher Leistung eingesetzt. Elektrokeramische Materialien eröffnen eine Fülle von Funktionen, die traditionelle Halbleitermaterialien wie Si oder GaAs nicht bieten können. Bei diesen Funktionen handelt es sich um ferroelektrische Polarisation, hohe Kapazitätsdichten, magneto- resistive Eigenschaften, piezoelektrische Aktor- und Sensorfunktionen, lonenleitung, Supraleitung, elektrooptische Aktivität, usw. Die Integration elektrokeramischer Materialien auf konventionellen integrierten Halbleiterschaltungen ist wünschenswert, da auf diesem Wege eine Kombination der elektrokeramischen Funktionen mit denen der Mikroelektronik und Mikromechanik erzielt werden kann. Als Beispiel hierfür sind nicht-flüchtige, ferroelektrische Speicher (sogenannte Fe-RAM) vorstellbar, die auf der Integration ferroelektrischer Keramiken auf Si-CMOS-Schaltungen beruhen.

Die Erzeugung qualitativ hochwertiger, dichter Keramikschichten erfordert in der Regel Temperaturen oberhalb von 500°C. Dies schränkt die Einsatzmöglichkeiten erheblich ein, da zum einen Bauelemente, wie zum Beispiel Transistoren, und Schichten, die unter der Keramikschicht liegen, nur mit großem Aufwand vor einer Oxidation durch die erhöhte Sauerstoff-Diffusionsrate geschützt werden können, und da zum anderen diese tiefer liegenden Schichten und Bauelemente durch eine Diffusion von Fremdelementen aus der Keramikschicht degradiert werden können.

Außerdem kann die übliche Aluminium-Metallisierung erst nach der Keramikschicht aufgebracht werden, da diese Metallisierung nur bis zu einer Temperatur von etwa 400°C stabil bleibt.

Aufgrund dieser Einschränkungen ist es bisher nicht möglich, bereits fertige integrierte Schaltungen im Nachhinein um elektrokeramische Schichten mit den damit verbundenen neuen Funktionen zu ergänzen.

Die Laser-Annealing-Technik stellt einen Weg dar, die Temperaturbelastung des unter der Keramikschicht liegenden Substrats, das im obigen Beispiel die integrierte Halbleiterschaltung ist, gering zu halten und auf einen kurzen Zeitraum zu beschränken. Gemäß dieser Technik wird ein beispielsweise punkt- oder strichförmig fokussierter Laserstrahl von ausreichender Leistung mit kontrollierter Vorschubgeschwindigkeit über die „grüne" Keramikschicht bewegt (was auch als „Scanning" bezeichnet wird), um eine Kristallisation und Verdichtung der Keramikschicht zu erreichen.

Eine wichtige Randbedingung ergibt sich dabei aus dem Absorptionsspektrum der keramischen Dünnschichten, denn eine notwendige Voraussetzung für die Laser- Annealing-Technik ist die Absorption der Laserstrahlung in der elektrokeramischen Dünnschicht. Zahlreiche elektrokeramische Materialien, wie zum Beispiel Erdalkaliti- tanate, absorbieren lediglich im fernen infraroten (FIR) und im ultravioletten (UV) Bereich, während sie im sichtbaren und nahen und mittleren infraroten (NIR bzw. MIR) Bereich vollständig transparent sind und daher mit Licht aus diesen Wellenlängenbereichen nicht erwärmt werden können. Folglich müssen FIR- oder UV- Laser eingesetzt werden. FIR-Laser mit ausreichender Leistung stehen derzeit nicht zur Verfügung, und die Laserstrahlung der sehr leistungsstarken Cθ2-Laser liegt im

MIR- und NIR-Bereich und weist eine zu große Eindringtiefe auf. Daher wird bevor- zugt die UV-Strahlung von Excimer-Lasem verwendet, deren Impulse eine ausreichende Leistung liefern.

Die bisher kommerziell verfügbaren Excimer-Laser weisen jedoch extrem kurze Pulsdauern von maximal 60 ns und zudem niedrige Pulsfrequenzen von maximal 100 Hz auf, so dass der bestrahlte Oberflächenbereich der Keramikschicht nach ei- nem Impuls nahezu vollständig abkühlt, bevor der nächste Impuls folgt. Dadurch ist eine kontinuierliche, durch die Vorschub- bzw. Scanning-Geschwindigkeit steuerba- re Eindringtiefe des Tempe'aturfeldes in die Keramikschicht hinein nicht erreichbar. So sind für größere Waver von beispielsweise 6 Zoll Pulsfrequenzen deutlich oberhalb von 1 kHz erforderlich.

Ähnliche Leistungen wie die Excimer-Laser bieten zwar auch frequenzverdoppelte Cu-Dampf-Laser und frequenzverdreifachte Nd:YAG-Laser, beide Lasertypen sind derzeit aber mit Pulsdauern oberhalb von 40 ns kommerziell nicht verfügbar.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Lasersystem mit steuerbarer Pulsdauer zur Verfügung zu stellen, das einen gepulsten Laserstrahl mit einer Pulsdauer erzeugen kann, die größer als die Pulsdauer des verwendeten Lasers ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Lasersystem mit steuerbarer Pulsdauer gelöst, mit: einer Erzeugungseinrichtung, die wenigstens einen Pulslaser aufweist und derart ausgebildet ist, dass sie einen ersten Laserstrahl und einen von diesem räumlich getrennten zweiten Laserstrahl erzeugt; einer Verschiebungseinrichtung, die derart ausgebildet ist, dass sie den zwei- ten Laserstrahl zeitlich gegenüber dem ersten Laserstrahl verschiebt; und einer Zusammenführungseinrichtung, die derart ausgebildet ist, dass sie die beiden räumlich getrennten Laserstrahlen in einem Ausgangsstrahl zusammenführt.

Das Lasersystem gemäß der Erfindung weist also wie schon das zu Beginn erwähn- te bekannte Lasersystem, das aus einem Q-Switch-Laser besteht, einen Pulslaser auf. Während jedoch bei dem bekannten Q-Switch-Laser die Steuerung der Pulsdauer mit Hilfe der Güteschaltung erfolgt, so dass die maximal erzielbare Pulsdauer durch die Pulsdauer (im folgenden auch als „Normalpulsdauer" bezeichnet) des Pulslasers bei normalen Pulsbetrieb, das heißt, ohne dass eine Güteschaltung an- gewendet wird, begrenzt ist, werden mit Hilfe der Zusammenführungseinrichtung die räumlich getrennten Laserstrahlen, die zeitlich gegeneinander verschoben sind, zu einem Ausgangsstrahl zusammengeführt, dessen Pulsdauer größer als die Normalpulsdauer des verwendeten Pulslasers ist.

Dieses Lasersystem ist folglich gut dafür geeignet, die im Zusammenhang mit dem beispielhaften Anwendungsfall der Erzeugung elektrokeramischer Dünnschichten diskutierte Forderung nach größeren Pulsdauern (wie zum Beispiel größer als 60 ns) bei unveränderter Normalpulsdauer, Pulsenergie und Wellenlänge des verwendeten Pulsiasers zu erfüllen. Wenn beispielsweise als Pulslaser der bisher schon für die Laser-Annealing-Technik verwendete Excimer-Laser mit einer Nor- malpulsdauer von 60 ns verwendet wird, dann kann das Lasersystem im einfachsten Falle zwei Laserstrahlen mit einer Pulsdauer von jeweils 60 ns erzeugen und den zweiten dieser beiden Laserstrahlen zeitlich um einen steuerbaren Betrag von beispielsweise 50 ns gegenüber dem ersten Laserstrahl verschieben, so dass nach dem Zusammenführen dieser beiden Laserstrahlen der von dem Lasersystem ab- gegebene Ausgangsstrahl eine Pulsdauer von ungefähr 110 ns (= 60 ns + 50 ns) aufweist.

Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung einer kristallisierten keramischen Schicht durch Laser-Annealing ermöglicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Temperaturprofil in der keramischen Schicht durch Steuerung der Pulsdauer des Ausgangsstrahls dieses Lasersystems eingestellt wird.

Die Steuerung der Pulsdauer des Ausgangsstrahls erfolgt bei diesem Verfahren mit Hilfe der Verschiebungseinrichtung, indem die zeitliche Verschiebung zwischen den Laserstrahlen geändert wird: eine Vergrößerung der zeitlichen Verschiebung führt zu einer Vergrößerung der Pulsdauer des Ausgangsstrahls.

Die Steuerung der Pulsdauer ist mit einer Genauigkeit von einigen Nanosekunden oder weniger möglich und wird gemäß der Erfindung zur Regelung des Temperaturprofils eingesetzt. Sie ermöglicht qualitativ höherwertige und gleichmäßigere Ergebnisse, da Abweichungen von dem gewünschten Temperaturprofil genau und schnell korrigiert werden können.

Die Vergrößerung der Pulsdauer führt bei gleichbleibender Pulsenergie und Wellenlänge zu einem flacheren Temperaturgradienten in der Keramikschicht und ermöglicht eine homogenere und sozusagen schonendere Behandlung der Keramikschicht, eine höhere Vorschubgeschwindigkeit, eine niedrigere Flächenleistungsdichte und eine größere Kristallisationstiefe. Bevorzugt ist bei diesem Verfahren vorgesehen, dass die Pulsdauer in Abhängigkeit von der Temperatur des bestrahlten Bereichs der Schicht geregelt wird. Die Temperaturüberwachung kann dabei durch Messung der Reflexion des bestrahlten Bereichs der Schicht erfolgen.

Weitere Merkmale und Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Gemäß einer ersten Variante des Lasersystems ist vorgesehen, dass: die Erzeugungseinrichtung einen zweiten Pulslaser aufweist, wobei der erste Laser den ersten Laserstrahl und der zweite Laser den zweiten Laserstrahl aussendet; und die Verschiebungseinrichtung eine Zeitschaltuhr aufweist, die derart ausgebildet ist, dass zuerst der erste Laser und dann mit einer einstellbaren Verzögerungszeit der zweite Laser gezündet wird.

Ein Vorteil dieser ersten Variante liegt darin, dass sich der zweite Pulslaser hinsicht- lieh der Wellenlänge des von ihm ausgesendeten zweiten Laserstrahles von dem ersten Pulslaser unterscheiden kann. Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines anderen Lasermateriales oder bei baugleichen Lasern durch eine andere Abstimmung erreicht werden. Der dann von dem Lasersystem abgegebene Ausgangsstrahl weist folglich zwei Wellenlängenanteile auf, was beispielsweise bei den kom- plexen Vorgängen, die bei der Laser-Annealing-Technik von elektrokeramischen

Dünnschichten auftreten, gewünscht sein kann. Außerdem wird durch den zweiten Laser auch die Energie des Ausgangsstrahles im Vergleich zu einem Lasersystem, das mit nur einem Pulslaser arbeitet, erhöht.

Gemäß einer zweiten Variante des Lasersystems ist vorgesehen, dass: - die Erzeugungseinrichtung einen Strahlteiler aufweist, der den von dem Laser ausgesendeten Laserstrahl in den ersten und den zweiten Laserstrahl aufteilt; und die Verschiebungseinrichtung eine einstellbare optische Verzögerungsstrecke für den zweiten Laserstrahl aufweist. Bei dieser zweiten Variante liegt ein Vorteil darin, dass im Unterschied zu der ersten Variante lediglich ein Laser erforderlich ist, um die beiden Laserstrahlen zu erzeugen.

Diese zweite Variante kann auch mit der ersten Variante kombiniert werden, um beispielsweise vier Laserstrahlen zu erzeugen, die zeitlich gegeneinander verschoben sind und einen Ausgangsstrahl mit einer noch größeren Pulsdauer ermöglichen. Hierzu kann zu den beiden Lasern der ersten Variante jeweils eine Erzeugungseinrichtung und eine Verschiebungseinrichtung gemäß der zweiten Variante vorgesehen sein.

Im Falle der zweiten Variante kann vorgesehen sein, dass die optische Verzögerungsstrecke durch eine Spiegelanordnung gebildet wird, die einen Eingangsspiegel und einen Ausgangsspiegel aufweist, die derart angeordnet sind, dass der zweite Laserstrahl von dem Strahlteiler auf den Eingangsspiegel trifft und zu dem Ausgangsspiegel umgelenkt wird, der ihn zu der Zusammenführungseinrichtung um- lenkt.

Da der zweite Laserstrahl den Umweg von dem Strahlteiler über den Eingangsspiegel und den Ausgangsspiegel bis zu der Zusammenführungseinrichtung zurücklegen muss, kommt er dort zu einem späteren Zeitpunkt an als der erste Laserstrahl, der nur den direkten Weg von dem Strahlteiler zu der Zusam enführungseinrich- tung zurücklegen musste. Der zweite Laserstrahl ist somit zeitlich gegenüber dem ersten Laserstrahl verschoben. Wenn die Lichtgeschwindigkeit mit c = 3 ^• 10⁸ m/s angenommen wird, führt folglich ein Umweg von 1 m zu einer Zeitverschiebung von 3,3 ns (= 1 m : 3 - 10⁸ m/s).

Dann kann weiter vorgesehen sein, dass die Spiegelanordnung wenigstens zwei Zwischenspiegel aufweist, die derart angeordnet sind, dass der zweite Laserstrahl von dem Eingangsspiegel über die Zwischenspiegel zu dem Ausgangsspiegel umgelenkt wird.

Mit den Zwischenspiegeln kann die Länge des Umweges, den der zweite Laserstrahl zurücklegen muss, deutlich vergrößert werden, ohne dass auch der Platzbe- darf der Spiegelanordnung entsprechend ansteigt. Vorteilhafterweise ist dann vorgesehen, dass die Zwischenspiegel in zwei parallelen Reihen jeweils äquidistant derart angeordnet sind, dass der zweite Laserstrahl von dem Eingangsspiegel auf den ersten Zwischenspiegel in der ersten Reihe trifft und zu dem ersten Zwischenspiegel in der zweiten Reihe umgelenkt wird und nachein- ander zwischen den Zwischenspiegeln der beiden Reihen hin- und herläuft, bis er von dem letzen Zwischenspiegel der ersten Reihe auf den letzen Zwischenspiegel der zweiten Reihe trifft und zu dem Ausgangsspiegel umgelenkt wird.

Mit dieser Anordnung der Zwischenspiegel wird ein besonders kompakter und regelmäßiger Aufbau der Spiegelanordnung ermöglicht.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Zusammenführungseinrichtung einen teildurchlässigen Spiegel aufweist.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

FIG. 1 zeigt in einer Draufsicht schematisch den Aufbau eines Lasersystems mit steuerbarer Pulsdauer in einer ersten Ausführungsform;

FIG. 2 zeigt in einer Draufsicht schematisch den Aufbau eines Lasersystems mit steuerbarer Pulsdauer in einer zweiten Ausführungsform, die eine optische Verzögerungsstrecke in einer ersten Ausführungsform aufweist;

FIG. 3 zeigt in einer Draufsicht schematisch den Aufbau einer optischen Verzö- gerungsstrecke in einer zweiten Ausführungsform, bei der maximale

Umweg eingestellt ist; und

FIG. 4 zeigt die optische Verzögerungsstrecke der FIG. 3, bei der jedoch ein um einen Schritt verkürzter Umweg eingestellt ist.

In den FIG. 1 und 2 ist ein Lasersystem mit steuerbarer Pulsdauer in zwei Ausfüh- rungsformen dargestellt, die sich grundlegend voneinander unterscheiden, wie im folgenden näher erläutert werden wird. Gemäß den FIG. 1 und 2 weist das Lasersystem eine Erzeugungseinrichtung 10, eine Verschiebungseinrichtung 12 und eine Zusammenführungseinrichtung 14 auf. Die Erzeugungseinrichtung 10 dient dazu, einen ersten gepulsten Laserstrahl 16 und einen von diesem räumlich getrennten zweiten gepulsten Laserstrahl 18 zu erzeugen. Die Verschiebungseinrichtung 12 dient dazu, den zweiten Laserstrahl 18 zeitlich gegenüber dem ersten Laserstrahl 16 zu verschieben. Die Zusammenführungseinrichtung 14 dient dazu, die beiden räumlich getrennten Laserstrahlen 16, 18 zusammenzuführen, so dass sie einen Ausgangsstrahl 20 mit der gewünschten Pulsdauer abgibt.

Gemäß der FIG. 1 weist bei der ersten Ausführungsform des Lasersystems die Erzeugungseinrichtung 10 einen ersten Pulslaser 22, der den ersten Laserstrahl 16 aussendet, und einen zweiten Pulslaser 24 auf, der den zweiten Laserstrahl 18 aussendet. Außerdem weist bei dieser ersten Ausführungsform die Verschiebungseinrichtung eine Zeitschaltuhr 26 auf, die derart ausgebildet ist, dass zuerst der erste Laser 22 und dann mit einer einstellbaren Verzögerungszeit der zweite Laser 24 gezündet wird. Die Zusammenführungseinrichtung 14 umfasst hier einen teildurchläs- sigen Spiegel 28, der bevorzugt dichroitisch ist.

Wie in der FIG. 1 gut zu erkennen ist, laufen die beiden Laserstrahlen 16, 18 in der Horizontalebene (die der Zeichenebene entspricht) rechtwinklig zueinander. Im Schnittpunkt beider Laserstrahlen 16, 18 ist der teildurchlässige Spiegel 28 derart angeordnet, dass seine unverspiegelte Seite unter einem Winkel von 45° zu dem ersten Laserstrahl 16 und seine reflektierende Seite unter einem Winkel von ebenfalls 45° zu dem zweiten Laserstrahl 18 steht. Außerdem sind die beiden Laser 22, 24 derart angeordnet, dass der erste Laserstrahl 16 dieselbe Wegstrecke bis zu dem teildurchlässigen Spiegel 28 zurücklegen muss wie der zweite Laserstrahl. Folglich treffen die einzelnen Impulse des zweiten Laserstrahls 18 um die durch die Zeitschaltuhr 26 vorgegebene Verzögerungszeit später bei dem teildurchlässigen Spiegel 28 ein als diejenigen des ersten Laserstrahls 16. Da der erste Laserstrahl 16 den teildurchlässigen Spiegel 28 nahezu ohne Richtungsänderung durchdringt, der zweite Laserstrahl 18 hingegen an dem teildurchlässigen Spiegel 28 um 90°, das heißt in der FIG. 1 von rechts nach unten, umgelenkt wird, sind die beiden La- serstrahlen 16, 18, die vor dem teildurchlässigen Spiegel 28 räumlich getrennt sind, hinter dem teildurchlässigen Spiegel 28 nun zusammengeführt und bilden durch Überlagerung den Ausgangsstrahl 20. Da die Taktfrequenz, mit der die beiden Laser 22, 24 gezündet werden, gleich ist, und die Impulse des zweiten Laserstrahls 18 zeitlich gegenüber denen des ersten Laserstrahls 16 verschoben sind, entspricht die Pulsfrequenz des Ausgangsstrahls 20, wie auch die der beiden Laserstrahlen 16, 18, der Taktfrequenz der beiden Laser 22, 24, wohingegen seine Pulsdauer entsprechend der Überlagerung der beiden Laserstrahlen 16, 18 größer als deren Pulsdauem ist. Die Pulsdauer des Ausgangsstrahls 20 kann demnach durch Verstellen der Verzögerungszeit mit Hilfe der Zeitschaltuhr 26 nach Wunsch gesteuert werden.

Eine Einstellung der Verzögerungszeit ist mit einer Genauigkeit im Nanosekunden- bereich leicht auf mikroelektronischem Wege erreichbar, so dass auch die Pulsdau- er des Ausgangsstrahls 20 mit dieser Genauigkeit eingestellt werden kann. Der Ausgangsstrahl 20 mit der gewünschten Pulsdauer kann dann beispielsweise im Falle der Laser-Annealing-Technik wie gewohnt über die elektrokeramische Dünnschicht geführt werden.

Die verwendeten Laser 22, 24 können bei derselben Wellenlänge arbeiten, es istje- doch auch möglich, verschiedene Wellenlängen zu wählen, die dann auch in dem Ausgangsstrahl 20 enthalten sind.

Außerdem können nach Bedarf auch mehr als die beiden Pulslaser 22, 24 vorgesehen sein, um beispielsweise noch eine weitere Wellenlänge in dem Ausgangsstrahl 20 zur Verfügung zu haben und/oder die Pulsdauer des Ausgangsstrahls 20 noch größer machen zu können. Ein (nicht dargestellter) dritter Laser könnte beispielsweise in der FIG. 1 unterhalb des zweiten Lasers 24 vorgesehen sein, der einen dritten Laserstrahl parallel zu dem zweiten Laserstrahl 18 erzeugt und ebenfalls mit der Zeitschaltuhr 26 verbunden ist. Diese Zeitschaltuhr 26 ist dann so ausgebildet, dass der dritte Laser mit einer eigenen einstellbaren Verzögerungszeit nach dem zweiten Laser 24 gezündet wird. An dem Schnittpunkt zwischen dem dritten Laserstrahl und dem Ausgangsstrahl 20 kann dann ein (nicht dargestellter) zweiter teildurchlässiger Spiegel vorgesehen sein, der wie der dargestellte teildurchlässige Spiegel 28 den Ausgangsstrahl 20 und den dritten Laserstrahl zusammenführt.

Gemäß der FIG. 2 weist bei der zweiten Ausführungsform des Lasersystems die Er- zeugungseinrichtung 10 einen einzigen Pulslaser 30 und einen Strahlteiler 32 auf, der den von dem Laser 30 ausgesendeten Laserstrahl 34 in den ersten Laserstrahl 16 und den zweiten Laserstrahl 18 aufteilt. Außerdem weist bei dieser zweiten Ausführungsform die Verschiebungseinrichtung 12 eine einstellbare optische Verzögerungsstrecke 36 für den zweiten Laserstrahl 18 auf. Die Zusammenführungseinrichtung 14 ist hier wie bei der ersten Ausführungsform der FIG. 1 ein teildurchlässiger Spiegel 28, der den ersten Laserstrahl 16 und den zweiten Laserstrahl 18, nachdem dieser die optische Verzögerungsstrecke 36 durchlaufen hat, zu dem Ausgangsstrahl 20 zusammenführt.

Bei dieser zweiten Ausführungsform des Lasersystems wird also der zweite Laserstrahl 18 dadurch zeitlich gegenüber dem ersten Laserstrahl 16 verschoben, dass er über den Umweg durch die optische Verzögerungsstrecke 36 zu dem teildurchlässigen Spiegel 28 geführt wird. So führt beispielsweise ein Umweg von 1 m zu einer zeitlichen Verschiebung von 3,3 ns (= 1 m : 3 x 10⁸ m/s).

Da der zweite Laserstrahl 18 ab dem Strahlteiler 32 einen deutlich längeren Weg bis zu dem teildurchlässigen Spiegel 28 als der erste Laserstrahl 16 zurücklegen muss, ist gemäß der FIG. 2 zwischen der Erzeugungseinrichtung 10 und der optischen

Verzögerungsstrecke 36 ein Fernrohr 38 (schematisch durch eine Konkavlinse dargestellt) zur Aufweitung des zweiten Laserstrahls 18 vorgesehen. Damit wird eine Verringerung der Strahldispersion erreicht. Diese Aufweitung wird mit Hilfe einer Fokussierungsoptik 40 (schematisch durch eine Konvexlinse dargestellt) rückgängig gemacht, die zwischen dem Ausgang der optischen Verzögerungsstrecke 36 und dem teildurchlässigen Spiegel 28 vorgesehen ist.

Das Lasersystem der FIG. 2 weist eine optische Verzögerungsstrecke 36 in einer ersten Ausführungsform auf. Bei dieser ersten Ausführungsform wird die Verzögerungsstrecke 36 durch eine Spiegelanordnung gebildet, die einen Eingangsspiegel 42 und einen Ausgangsspiegel 44 aufweist. Diese beiden Spiegel 42, 44 sind auf einem gemeinsamen Schlitten 46 angebracht, der zur Einstellung des Umweges rechtwinklig zu dem ersten Laserstrahl 16, das heißt in der FIG. 2 nach links und rechts, verschoben werden kann.

Der Eingangsspiegel 42 und der Ausgangsspiegel 44 sind so auf dem Schlitten 46 angeordnet, dass der zweite Laserstrahl 18 von dem Strahlteiler 32 auf den Eingangsspiegel 42 trifft, der ihn zu dem Ausgangsspiegel 44 umlenkt, der ihn wieder- um zu dem teildurchlässigon Spiegel 28 umlenkt. Dies wird beispielsweise gemäß der FIG. 2 dadurch erreicht, dass der Eingangsspiegel 42 unter einem Winkel von 45° nach unten zu dem von links einfallenden zweiten Laserstrahl 18 weist und diesen folglich rechtwinklig nach unten zu dem Ausgangsspiegel 44 reflektiert, der un- ter einem Winkel von ebenfalls 45° nach links zu dem von oben einfallenden zweiten Laserstrahl 18 weist und diesen folglich rechtwinklig nach links zu dem teildurchlässigen Spiegel 28 reflektiert.

Der Abstand zwischen dem Eingangsspiegel 42 und dem Ausgangsspiegel 44 ist hier gleich dem Abstand zwischen dem Strahlteiler 32 und dem teildurchlässigen Spiegel 28 gewählt, so dass der zweite Laserstrahl 18 zwischen dem Eingangsspiegel 42 und dem Ausgangsspiegel 44 dieselbe Entfernung zurücklegen muss wie der erste Laserstrahl 16 zwischen dem Strahlteiler 32 und dem teildurchlässigen Spiegel 28. Demnach wird der Umweg des zweiten Laserstrahls 18 relativ zu dem ersten Laserstrahl 16 durch den Abstand zwischen dem Eingangsspiegel 42 und dem Strahlteiler 32 und den Abstand zwischen dem Ausgangsspiegel 44 und dem teildurchlässigen Spiegel 28 bestimmt, die hier gleich groß sind. Wenn nun in der FIG. 2 der Schlitten 46 um 0,5 m nach rechts verschoben wird, dann vergrößert sich der Umweg um 1 m (= 2 ^• 0,5 m), was einer zeitlichen Verschiebung des zweiten Laserstrahls 18 gegenüber dem ersten Laserstrahl 16 von 3,3 ns entspricht.

Die FIG. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der optischen Verzögerungsstrecke 36. Bei dieser zweiten Ausführungsform sind zusätzlich zu dem Eingangsspiegel 42 und dem Ausgangsspiegel 44 wenigstens zwei Zwischenspiegel 48, 50 vorgesehen, die derart angeordnet sind, dass der zweite Laserstrahl 18 von dem Eingangsspiegel 42 über die Zwischenspiegel 48, 50 zu dem Ausgangsspiegel 44 umgelenkt wird.

Gemäß der FIG. 2 wird dies beispielsweise mit insgesamt 6 Zwischenspiegeln verwirklicht, die in zwei parallelen Reihen jeweils äquidistant angeordnet sind. Zur besseren Unterscheidung werden im folgenden die Zwischenspiegel in der ersten Reihe von links nach rechts in der FIG. 3 mit den Bezugszeichen 48.1 , 48.2 und 48.3 und die Zwischenspiegel in der zweiten Reihe, die in der FIG. 3 oberhalb der ersten Reihe verläuft, von links nach rechts mit den Bezugszeichen 50.1 , 50.2 und 50.3 bezeichnet. Sämtliche Spiegel 42, 44, 48, 50 der optischen Verzögerungsstrecke 36 sind auf einem gemeinsamen Schlitten 46 angebracht, der wie bei der ersten Ausführungsform der FIG. 2 nach links und rechts in der FIG. 3 zur kontinuierlichen Feineinstellung des Umweges verschoben werden kann.

Die Zwischenspiegel 48, 50 sind derart angeordnet, dass der zweite Laserstrahl 18 von dem Eingangsspiegel 42 auf den ersten Zwischenspiegel 48.1 in der ersten Reihe trifft, der ihn zu dem ersten Zwischenspiegel 50.1 der zweiten Reihe reflektiert. Dieser wiederum reflektiert ihn zu dem zweiten Zwischenspiegel 48.2 der ersten Reihe, der ihn seinerseits zu dem zweiten Zwischenspiegel 50.2 der zweiten Reihe reflektiert. Von dort läuft der zweite Laserstrahl 18 zum dritten Zwischenspiegel 48.3 der ersten Reihe, der ihn auf den dritten Zwischenspiegel 50.3 der zweiten Reihe reflektiert. Dieser schließlich lenkt ihn zu dem Ausgangsspiegel 44 um, der in der FIG. 3 unterhalb der ersten Reihe angeordnet ist, so dass der zweite Laserstrahl 18 ungestört an den Zwischenspiegeln 48 der ersten Reihe vorbei zu dem teildurch- lässigen Spiegel 28 laufen kann.

Der zweite Laserstrahl 18 läuft also in einer Zickzacklinie nacheinander zwischen den Zwischenspiegeln 48 der ersten Reihe und den Zwischenspiegeln 50 der zweiten Reihe hin und her. Dadurch wird bei geringem Platzbedarf der optischen Verzögerungsstrecke 36 ein langer Umweg ermöglicht. Da zudem die beiden Reihen pa- rallel verlaufen und die Zwischenspiegel 48, 50 einer jeden Reihe äquidistant angeordnet sind, ergibt sich ein sehr regelmäßiger Verlauf der Zickzacklinie. So stimmen die Reflexionswinkel bei den einzelnen Zwischenspiegeln 48, 50 miteinander überein, und zum anderen sind die von dem zweiten Laserstrahl zurückzulegenden Entfernungen zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Zwischenspiegeln, also der Abstand zwischen dem ersten Zwischenspiegel 48.1 der ersten Reihe und dem ersten Zwischenspiegel 50.1 der zweiten Reihe, der Abstand zwischen diesem und dem zweiten Zwischenspiegel der ersten Reihe, und so weiter, ebenfalls gleich. Der Vorteil dieser gleichen Spiegelabstände liegt darin, dass der Umweg auf einfache Art und Weise in gleich großen Schritten verringert werden kann. Zu diesem Zweck ist jeder Zwischenspiegel 48 der ersten Reihe abnehmbar auf dem Schlitten 46 an- gebacht. Dies kann beispielsweise mit Hilfe von (nicht dargestellten) Verankerungsstiften erfolgen, die an den Zwischenspiegeln 48 der ersten Reihe befestigt sind und in (nicht dargestellte) zugehörige Aufnahmelöcher in der Oberseite des Schlittens 46 passen.

Wenn nun beispielsweise gemäß der FIG. 4 der dritte Zwischenspiegel 48.3 der ersten Reihe von dem Schlitten 46 abgenommen wird, dann ist zunächst der zickzack- förmige Strahlengang des zweiten Laserstrahls 18 an dieser Stelle unterbrochen, so dass der zweite Laserstrahl 18 nicht mehr über den dritten Zwischenspiegel 50.3 der zweiten Reihe zu dem Ausgangsspiegel 44 umgelenkt wird. Als weitere Maßnahme wird der Ausgangsspiegel 44 gemäß der FIG. 4 in eine Position auf dem Schlitten 46 gebracht, in der er den von dem zweiten Zwischenspiegel 50.2 der zweiten Reihe einfallenden zweiten Laserstrahl 18 wieder zu dem teildurchlässigen Spiegel 28 umlenkt. Zu diesem Zweck ist der Ausgangsspiegel 44 verschiebbar auf dem Schlitten 46 angebracht. Da jetzt der dritte Zwischenspiegel 48.3 der ersten Reihe und der dritte Zwischenspiegel 50.3 der zweiten Reihe nicht mehr im Strahlengengang des zweiten Laserstrahls 18 liegen, ist dessen Umweg durch die opti- sehe Verzögerungsstrecke 36 um das Doppelte des Spiegelabstands verringert.

Auf die gleiche Art und Weise lässt sich der Umweg um das Vierfache des Spiegelabstands verringern, indem einfach nicht der dritte Zwischenspiegel 48.3 der ersten Reihe von dem Schlitten 46 abgenommen wird, sondern der zweite Zwischenspiegel 48.2 der ersten Reihe, und indem der Ausgangsspiegel 44 in der FIG. 3 ent- sprechend weiter nach links verschoben wird. Das gleiche gilt entsprechend bei Abnehmen des ersten Zwischenspiegels 48.1 der ersten Reihe, wodurch der Umweg um das Sechsfache des Spiegelabstands verringert wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

Erzeugungseinrichtung Verschiebungseinrichtung Zusammenführungseinrichtung erster Laserstrahl zweiter Laserstrahl Ausgangsstrahl erster Pulslaser zweiter Pulslaser Zeitschaltuhr teildurchlässiger Spiegel Pulslaser Strahlteiler Laserstrahl optische Verzögerungsstrecke Fernrohr Fokussierungsoptik Eingangsspiegel Ausgangsspiegel Schlitten Zwischenspiegel der ersten Reihe Zwischenspiegel der zweiten Reihe

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Lasersystem mit steuerbarer Pulsdauer, mit: einer Erzeugungseinrichtung (10), die wenigstens einen Pulslaser (22, 30) aufweist und derart ausgebildet ist, dass sie einen ersten Laserstrahl (16) und einen von diesem räumlich getrennten zweiten Laserstrahl (18) erzeugt; einer Verschiebungseinrichtung (12), die derart ausgebildet ist, dass sie den zweiten Laserstrahl (18) zeitlich gegenüber dem ersten Laserstrahl (16) verschiebt; und einer Zusammenführungseinrichtung (14), die derart ausgebildet ist, dass sie die beiden räumlich getrennten Laserstrahlen (16, 18) in einem Ausgangsstrahl (20) zusammenführt.

2. Lasersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass: die Erzeugungseinrichtung (10) einen zweiten Pulslaser (24) aufweist, wobei der erste Laser (22) den ersten Laserstrahl (16) und der zweite Laser (24) den zweiten Laserstrahl (18) aussendet; und die Verschiebungseinrichtung (12) eine Zeitschaltuhr (26) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass zuerst der erste Laser (22) und dann mit einer einstellbaren Verzögerungszeit der zweite Laser (24) gezündet wird.

3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass: - die Erzeugungseinrichtung (10) einen Strahlteiler (32) aufweist, der den von dem Laser (30) ausgesendeten Laserstrahl (34) in den ersten und den zweiten Laserstrahl (16, 18) aufteilt; und die Verschiebungseinrichtung (12) eine einstellbare optische Verzögerungsstrecke (36) für den zweiten Laserstrahl (18) aufweist.

4. Lasersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Verzögerungsstrecke (36) durch eine Spiegelanordnung gebildet wird, die einen Eingangsspiegel (42) und einen Ausgangsspiegel (44) aufweist, die derart angeordnet sind, dass der zweite Laserstrahl (18) von dem Strahlteiler (32) auf den Eingangsspiegel (42) trifft und zu dem Ausgangsspiegel (44) umgelenkt wird, der ihn zu der Zusammenführungseinrichtung (14) umlenkt.

5. Lasersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelanordnung wenigstens zwei Zwischenspiegel (48, 50) aufweist, die derart angeordnet sind, dass der zweite Laserstrahl (18) von dem Eingangsspiegel (42) über die Zwischenspiegel (48, 50) zu dem Ausgangsspiegel (44) umgelenkt wird.

6. Lasersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenspiegel (48, 50) in zwei parallelen Reihen jeweils äquidistant derart angeordnet sind, dass der zweite Laserstrahl (18) von dem Eingangsspiegel (42) auf den ersten Zwischenspiegel (48.1) in der ersten Reihe trifft und zu dem ersten Zwischenspiegel (50.1) in der zweiten Reihe umgelenkt wird und nacheinander zwischen den Zwi- schenspiegeln (48, 50) der beiden Reihen hin- und herläuft, bis er von dem letzen Zwischenspiegel (48.3) der ersten Reihe auf den letzen Zwischenspiegel (50.3) der zweiten Reihe trifft und zu dem Ausgangsspiegel (44) umgelenkt wird.

7. Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammenführungseinrichtung (14) einen teildurchlässigen Spiegel (28) aufweist.

8. Verwendung des Lasersystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Verfahren zur Herstellung einer kristallisierten keramischen Schicht durch Laser-Annealing, bei dem das Temperaturprofil in der keramischen Schicht durch Steuerung der Pulsdauer des Ausgangsstrahls (20) eingestellt wird.

9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer in Abhängigkeit von der Temperatur des bestrahlten Oberflächenbereichs der Schicht geregelt wird.

10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturüberwachung durch Messung der Reflexion von dem bestrahlten Oberflächenbe- reich der Schicht erfolgt.