WO2005022209A1 - Mirror comprising a diamond substrate for a deflection unit in a laser system, method for the production thereof, and deflection unit for a laser system - Google Patents

Mirror comprising a diamond substrate for a deflection unit in a laser system, method for the production thereof, and deflection unit for a laser system Download PDF

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WO2005022209A1
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mirror
diamond
substrate
carrier substrate
segments
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Hans Klingel
Hans Jürgen MAYER
Daniel Metz
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Hitachi Via Mechanics, Ltd.
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/102—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
    • H01S3/1022—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the optical pumping
    • H01S3/1024—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the optical pumping for pulse generation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/02—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of crystals, e.g. rock-salt, semi-conductors
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/18—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors
    • G02B7/182—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors
    • G02B7/1821—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors for rotating or oscillating mirrors

Definitions

  • the invention relates to a mirror for a deflection unit in a laser system, consisting of a flat mirror substrate which has a reflective surface on at least one side.
  • the invention also relates to a method for producing such a mirror and to a deflection unit containing such a mirror.
  • deflection units are used to deflect the laser beam two-dimensionally via at least one, preferably two, movable mirrors and thus to be able to direct the laser beam to every point of a given processing field.
  • galvo motors are used to deflect the mirrors, which enable very fast and precise movement.
  • the requirements for movement speed and accuracy are becoming increasingly high.
  • the smaller the hole diameter to be drilled the larger the mirror, for example, in order to achieve a correspondingly small focal spot after the focusing (F-theta) optics.
  • F-theta focal spot after the focusing
  • the stiffness is given by the ratio of the modulus of elasticity to the density or mass of the mirror substrate.
  • mirrors made of glass or silicon in exceptional cases also made of beryllium, are preferably used in the deflection units.
  • other materials are also possible.
  • the above materials decrease in the order listed in the density (or the mass with a defined mirror size).
  • the modulus of elasticity of all these materials is so small that the stiffness reaches its limits with the mirror sizes and speeds currently used.
  • the aim of the invention is therefore to create a mirror for a laser deflection unit and to specify a production method for it, with which a lower moment of inertia with a consistently high or higher rigidity can be achieved with the same mirror size or mirror surface.
  • this aim is achieved with a mirror of the type mentioned in the introduction in that the mirror substrate consists of diamond. 200312500
  • Diamant has one of the largest moduli of elasticity of all materials, and this results in a higher stiffness, which allows higher working speeds with comparable galvomotors or even makes it possible to use smaller motors with the same mirror size, which in turn have less mass to move , e.g. the axis is lighter.
  • a HOD (highly oriented diamond) synthetic diamond is preferably used for the invention, which has properties comparable to natural diamonds.
  • This diamond is produced in a high-pressure, high-temperature synthesis or in a low-pressure synthesis.
  • Thin diamond films are applied to foreign substrates such as silicon.
  • a method according to the invention for producing a mirror consists in passing several thin diamond layers from the gas phase on a carrier substrate
  • the carrier substrate required for the production of the diamond can be completely or partially removed, for example etched off, in order to keep the inertial mass of the mirror low. It is also possible to leave a framework of struts and ribs standing by partially etching off the carrier substrate, which then contributes to additional stiffening of the mirror. Furthermore, it is also possible to etch corresponding struts or ribs into the diamond layer itself from the rear in order to additionally reduce the mass. 200312500
  • the diamond substrate is formed from a plurality of diamond segments arranged side by side in a surface. These diamond segments, which have, for example, an area of the order of 10 ⁇ 10 mm, each have a higher planarity over the area than, for example, a diamond plate with a side length of 50 mm.
  • the diamond segments can be joined together in various ways to form a larger mirror. It is thus possible to join the diamond segments to one another without a carrier substrate and to glue or bond them to one another. However, they can also be laterally offset and attached to each other in two planes and thus connected to one another.
  • the diamond segments can be glued or bonded to the carrier substrate on one or both sides, it being advantageous to arrange the opposite diamond segments laterally offset.
  • FIG. 1 shows a laser processing arrangement with two galvo mirrors
  • FIG. 2 shows an example of a mirror according to the invention in a perspective view
  • FIG. 3 shows another embodiment of a mirror according to the invention in a view from the rear
  • 6 to 10 further embodiments of a mirror according to the invention, composed of a plurality of diamond segments, each in a side view.
  • FIG. 1 there is schematically an arrangement for processing, i.e. for drilling or structuring printed circuit boards, shown with a laser beam, mirrors according to the invention being used in a deflection unit.
  • a laser beam 2 emitted by a laser 1 is applied to the substrate to be processed, for example, via a deflection unit consisting of two galvo deflection elements 3 and 4 and then via an imaging unit 5, preferably an F-theta lens a printed circuit board 6, which is arranged on a support table 7 and can be adjusted by means of this table at least in two horizontal directions, preferably also in the vertical direction.
  • the deflection element 3 consists of a galvo motor 31 which drives a mirror 32 and pivots about its axis 33 in accordance with the double arrow 34.
  • the deflecting element 4 consists of a galvo motor 41 and a mirror 42 which, according to the double arrow 44, moves around the axis 43. 200312500
  • the pivotal movement of the first mirror 32 directs the laser beam 2 to any desired point on the line 45 on the second mirror 42, and the pivotal movement of the mirror 42 then allows the laser beam to be directed to any point within the surface 61 of the circuit board 6 by there, for example, drilling a hole or structuring a conductor layer.
  • the mirrors of the deflection unit must have the lowest possible mass of inertia, i.e. have a thickness that is as small as possible, but at the same time have a high degree of rigidity, so that after each jumping movement they require no or the least possible post-oscillation time until standstill.
  • the mirrors used in a deflection system do not have to be the same size.
  • the laser beam 2 impinges on the first mirror 3 in the beam path — ideally — only at point 35, while it hits the second mirror at every point along line 45 due to the pivoting movement of this first mirror. can hit.
  • the second mirror 42 must be larger than the first mirror 32.
  • the first mirror can still maintain the required low inertial mass and high rigidity, for example, with a conventional substrate, for example made of glass or silicon, with a substrate thickness d1. while the same working speed can only be achieved with the second mirror 42 with a smaller thickness d2.
  • the second mirror 42 according to the invention has a mirror substrate made of diamond, which ensures the required rigidity with the smaller thickness d2.
  • both mirrors 32 and 42 can be made of diamond.
  • a diamond mirror according to the invention is shown in perspective in FIG. 2, with any other shape being conceivable instead of the octagonal shape shown here.
  • the mirror substrate 10 with a thickness d is provided on its front side with a reflective coating 11, which is preferably specifically matched to the wavelength of the laser used.
  • the thickness d of the diamond mirror substrate can be in the order of magnitude of, for example, 0.2 to 0.5 mm, while this thickness d would be approximately 1 to 2 mm in the case of a conventional mirror substrate made of glass or silicon with an otherwise identical mirror size. Due to the higher modulus of elasticity and the resulting higher stiffness of the diamond, the mirror according to the invention can therefore be significantly thinner, so that it has a lower mass and permits higher working speeds.
  • a carrier substrate 12 is also indicated in FIG. 2, which initially serves as a basis in the production of the diamond substrate 10 and can later be removed in whole or in part to reduce the thickness and the mass of the mirror substrate.
  • FIGS. 3 to 5 show examples of how the carrier substrate 12 can be reduced in its mass and still be used for additional stiffening of the mirror.
  • FIG. 3 shows a mirror substrate 10 seen from the rear. In this case, ribs 14 and struts 15 are exposed through recesses 13, which only slightly increase the mass of the finished mirror substrate, but significantly improve the rigidity of the mirror substrate 10. 4 and 5 show two different examples of such profiles of the carrier substrate.
  • the mirror substrate is composed of several diamond segments.
  • FIGS. 6 to 10 examples of such composite mirror substrates are shown in side view.
  • diamond segments 21 are produced which, due to their small area of, for example, 10 ⁇ 10 mm, have high planarity. These diamond segments can be separated from a diamond plate using an etching process, for example.
  • the diamond segments 21 obtained in this way are joined together and glued or bonded to one another, as a result of which a mirror substrate 20 with the desired larger area is then obtained.
  • the individual diamond segments 21 can be joined together in one plane without an additional carrier substrate.
  • FIG. 7 such diamond segments can also be laterally offset from one another and joined to one another in two planes.
  • an additional carrier substrate 22 can also be used, onto which the diamond segments 21 are glued or bonded either on one side according to FIG. 8 or on both sides according to FIG. In this case too, the opposite diamond segments can be laterally offset, as shown in FIG.
  • struts or certain grids for example according to FIGS. 3 to 5, can also be incorporated into the carrier substrate 22 in this case, which in turn reduce the mass and increase the rigidity.
  • the surface of the composite mirror substrate 20 is also polished and preferably provided with a reflective coating 11.

Abstract

Disclosed is a mirror (42) for a galvo-deflection unit (3, 4) in a laser machining system. Said mirror (42) comprises a substrate (10) that is made of a diamond material and can also be composed of smaller diamond segments. The inventive diamond substrate (10) is provided with great stiffness while having a smaller thickness (d2) than conventional mirror substrates (32), thus allowing for greater working speeds in the laser system.

Description

Beschreibung description
SPIEGEL MIT DIAMANTSUBSTRAT FÜR EINE ABLENKEINHEIT IN EINEM LASERSYSTEM, VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG SOWIE ABLENKEINHEIT FÜR EIN LASERSYSTEMMIRROR WITH DIAMOND SUBSTRATE FOR A DEFLECTING UNIT IN A LASER SYSTEM, METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF AND DIFFERENTIAL UNIT FOR A LASER SYSTEM
Die Erfindung betrifft einen Spiegel für eine Ablenkeinheit in einem Lasersystem, bestehend aus einem flachen Spiegelsubstrat, welches zumindest auf einer Seite eine reflektierende Oberfläche aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Spiegels sowie eine einen solchen Spiegel enthaltende Ablenkeinheit.The invention relates to a mirror for a deflection unit in a laser system, consisting of a flat mirror substrate which has a reflective surface on at least one side. The invention also relates to a method for producing such a mirror and to a deflection unit containing such a mirror.
Bei der Bearbeitung von Werkstücken mittels Laser, insbeson- dere beim Bohren und Strukturieren von elektrischen Leitungssubstraten, werden Ablenkeinheiten eingesetzt, um den Laserstrahl über mindestens einen, vorzugsweise zwei bewegliche Spiegel zweidimensional abzulenken und so den Laserstrahl auf jeden Punkt eines vorgegebenen Bearbeitungsfeldes richten zu können. Zur Ablenkung der Spiegel dienen in der Regel Galvo- motoren, die eine sehr schnelle und genaue Bewegung ermöglichen. Die Anforderungen an die Bewegungsgeschwindigkeit und Genauigkeit werden jedoch zunehmend höher. Andererseits erfordert das optische System umso größere Spiegel, je kleiner beispielsweise ein zu bohrender Lochdurchmesser ist, um nach der fokussierenden (F-Theta-) -Optik einen entsprechend kleinen Brennfleck zu erreichen. Mit der Größe der Spiegel wächst jedoch auch deren Trägheitsmasse, wodurch die erreichbare Geschwindigkeit abnimmt.When machining workpieces using a laser, in particular when drilling and structuring electrical wiring substrates, deflection units are used to deflect the laser beam two-dimensionally via at least one, preferably two, movable mirrors and thus to be able to direct the laser beam to every point of a given processing field. As a rule, galvo motors are used to deflect the mirrors, which enable very fast and precise movement. However, the requirements for movement speed and accuracy are becoming increasingly high. On the other hand, the smaller the hole diameter to be drilled, the larger the mirror, for example, in order to achieve a correspondingly small focal spot after the focusing (F-theta) optics. With the size of the mirrors, however, their inertial mass also increases, which means that the speed that can be achieved decreases.
Eine entscheidende Größe für die erreichbare Geschwindigkeit ist neben der Trägheitsmasse jedoch auch die Steifigkeit eines solchen Spiegels. Sehr oft ist diese und nicht die Trägheit die limitierende Größe. Denn wenn man versucht, zur Ver- ringerung der Trägheitsmasse den Spiegel bei einer vorgegebenen Flächengröße dünner zu machen, verringert sich auch die Steifigkeit des Spiegels, d.h. er schwingt bei jeder Sprung- 200312500In addition to the mass of inertia, a decisive factor for the achievable speed is the stiffness of such a mirror. Very often this and not the sluggishness is the limiting factor. If you try to make the mirror thinner for a given area to reduce the mass of inertia, the stiffness of the mirror will also decrease, ie it will vibrate with every jump. 200312500
2 bewegung nach, so dass erst der Stillstand abgewartet werden uss, bis der Laserstrahl zur Bearbeitung eingeschaltet werden kann. Die Anforderung an die Steifigkeit der Spiegel steigt noch bei höheren Bewegungsgeschwindigkeiten. Generell ist die Steifigkeit durch das Verhältnis des Elastizitätsmoduls zur Dichte bzw. Masse des Spiegelsubstrats gegeben.2 movement, so that the standstill must be waited until the laser beam can be switched on for processing. The requirement for the rigidity of the mirrors increases even at higher speeds of movement. In general, the stiffness is given by the ratio of the modulus of elasticity to the density or mass of the mirror substrate.
Zur Zeit werden in den Ablenkeinheiten vorzugsweise Spiegel aus Glas oder Silizium, in Ausnahmefällen auch aus Beryllium, verwendet. Auch andere Materialien sind jedoch durchaus möglich. Die oben genannten Materialien nehmen in der aufgeführten Reihenfolge in der Dichte (bzw. der Masse bei definierter Spiegelgröße) ab. Jedoch ist das Elastizitätsmodul bei all diesen Materialien so klein, dass die Steifigkeit bei den derzeit verwendeten Spiegelgrößen und verwendeten Geschwindigkeiten an Grenzen stößt. Wenn beispielsweise in einer Ablenkeinheit zwei Spiegel unterschiedlicher Größe verwendet werden, da der im Strahlengang als erster angeordnete Spiegel den Laserstrahl nur in einem Punkt abzulenken braucht, wäh- rend dieser Laserstrahl beim Auftreffen auf den zweiten Spiegel bereits in einer Dimension aufgefächert ist, so kann es sein, dass der erste, kleinere Spiegel noch den Anforderungen an die Steifigkeit genügt, während der zweite, größere Spiegel diesen Anforderungen nicht mehr genügt bzw. die gewünsch- te Arbeitsgeschwindigkeit nicht zulässt.At the moment, mirrors made of glass or silicon, in exceptional cases also made of beryllium, are preferably used in the deflection units. However, other materials are also possible. The above materials decrease in the order listed in the density (or the mass with a defined mirror size). However, the modulus of elasticity of all these materials is so small that the stiffness reaches its limits with the mirror sizes and speeds currently used. If, for example, two mirrors of different sizes are used in a deflection unit, since the mirror arranged first in the beam path only needs to deflect the laser beam at one point, while this laser beam is already fanned out in one dimension when it strikes the second mirror be that the first, smaller mirror still meets the requirements for rigidity, while the second, larger mirror no longer meets these requirements or does not allow the desired working speed.
Ziel der Erfindung ist es deshalb, einen Spiegel für eine Laser-Ablenkeinheit zu schaffen und ein Herstellverfahren dafür anzugeben, mit dem bei gleicher Spiegelgröße bzw. Spiegel- Oberfläche ein geringeres Trägheitsmoment bei gleichbleibend hoher oder höherer Steifigkeit erreichbar ist.The aim of the invention is therefore to create a mirror for a laser deflection unit and to specify a production method for it, with which a lower moment of inertia with a consistently high or higher rigidity can be achieved with the same mirror size or mirror surface.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel mit einem Spiegel der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass das Spiegelsub- strat aus Diamant besteht. 200312500According to the invention, this aim is achieved with a mirror of the type mentioned in the introduction in that the mirror substrate consists of diamond. 200312500
3 Diamant hat eines der größten Elastizitätsmodule aller Werkstoffe, und dadurch ergibt sich eine höhere Steifigkeit, die höhere Arbeitsgeschwindigkeiten mit vergleichbaren Galvomoto- ren erlaubt oder es sogar ermöglicht, bei gleicher Spiegel- große kleinere Motoren zu verwenden, die dann wiederum weniger Masse zu bewegen haben, da z.B. die Achse leichter ist. Da Naturdiamanten zu teuer sind, wird für die Erfindung vorzugsweise ein HOD (Highly-Oriented-Diamond) -Kunstdiamant verwendet, der vergleichbare Eigenschaften zum Naturdiamant hat. Dieser Diamant wird in einer Hochdruck-Hochtemperatur- Synthese oder in einer Niederdrucksynthese hergestellt . Dabei werden jeweils dünne Diamantfilme auf Fremdsubstrate, wie Silizium, aufgebracht. Die Abscheidung kann z.B. mittels Mikrowellenenergie oder mittels Laserbestrahlung aus der Gasphase generiert werden; dieses Verfahren ist als CVP (= Chemical Vapor Deposition) bekannt.3 Diamant has one of the largest moduli of elasticity of all materials, and this results in a higher stiffness, which allows higher working speeds with comparable galvomotors or even makes it possible to use smaller motors with the same mirror size, which in turn have less mass to move , e.g. the axis is lighter. Since natural diamonds are too expensive, a HOD (highly oriented diamond) synthetic diamond is preferably used for the invention, which has properties comparable to natural diamonds. This diamond is produced in a high-pressure, high-temperature synthesis or in a low-pressure synthesis. Thin diamond films are applied to foreign substrates such as silicon. The deposition can e.g. are generated from the gas phase by means of microwave energy or by means of laser radiation; this process is known as CVP (= Chemical Vapor Deposition).
Dementsprechend besteht ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Spiegels darin, dass auf einem Trägersub- strat mehrere dünne Diamantschichten aus der Gasphase durchAccordingly, a method according to the invention for producing a mirror consists in passing several thin diamond layers from the gas phase on a carrier substrate
Dampf bScheidung abgelagert werden, dass aus einer derart gewonnenen Diamantplatte einzelne Spiegelsubstrate oder Diamantsegmente in einer gewünschten Größe, beispielsweise durch Ätzen, herausgetrennt werden und dass auf der Oberfläche des jeweiligen Spiegelsubstrats eine Reflexionsschicht aufgebracht wird.Steam separation is deposited so that individual mirror substrates or diamond segments of a desired size, for example by etching, are separated out from a diamond plate obtained in this way and that a reflective layer is applied to the surface of the respective mirror substrate.
Das für die Herstellung des Diamants erforderliche Trägersubstrat kann in einer bevorzugten Ausgestaltung ganz oder teil- weise entfernt, beispielsweise abgeätzt werden, um die Trägheitsmasse des Spiegels gering zu halten. Es ist auch möglich, durch partielles Abätzen des Trägersubstrats ein Gerüst aus Verstrebungen und Rippen stehen zu lassen, das dann zur zusätzlichen Versteifung des Spiegels beiträgt. Weiterhin ist es möglich, auch in die Diamantschicht selbst entsprechende Verstrebungen bzw. Rippen von der Rückseite her einzuätzen, um die Masse zusätzlich zu reduzieren. 200312500In a preferred embodiment, the carrier substrate required for the production of the diamond can be completely or partially removed, for example etched off, in order to keep the inertial mass of the mirror low. It is also possible to leave a framework of struts and ribs standing by partially etching off the carrier substrate, which then contributes to additional stiffening of the mirror. Furthermore, it is also possible to etch corresponding struts or ribs into the diamond layer itself from the rear in order to additionally reduce the mass. 200312500
4 Bei der Abscheidung von Diamantschichten auf beiden Seiten des Trägersubstrats kann dieses als Strebe im Spiegelinneren stehen bleiben.4 When depositing diamond layers on both sides of the carrier substrate, this can remain as a strut in the interior of the mirror.
Bei der Herstellung von Spiegelsubstraten als Kunstdiamanten (HOD) kann jedoch nur eine bestimmte Planarität erreicht werden. Diese erreichbare Planarität ist abhängig von der Größe des Spiegelsubstrats . Die unvermeidliche Abweichung von der optimalen Ebenheit wird durch eine Eigenspannung im Substrat bewirkt, die beim Herstellungsprozess aufgebaut wird. Um bei größeren Spiegeln die Planarität zu verbessern, ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Diamantsubstrat aus einer Mehrzahl von nebeneinander in einer Fläche angeordneten Diamant-Segmenten gebildet ist. Diese Diamantsegmente, die beispielsweise eine Fläche in der Größenordnung von 10 x 10 mm aufweisen, haben jeweils für sich über die Fläche eine höhere Planarität als beispielsweise eine Diamantplatte von 50 mm Seitenlänge.However, only a certain level of planarity can be achieved in the production of mirror substrates as artificial diamonds (HOD). This achievable planarity depends on the size of the mirror substrate. The inevitable deviation from the optimal flatness is caused by an internal stress in the substrate, which is built up during the manufacturing process. In order to improve the planarity in the case of larger mirrors, it is provided in an advantageous development of the invention that the diamond substrate is formed from a plurality of diamond segments arranged side by side in a surface. These diamond segments, which have, for example, an area of the order of 10 × 10 mm, each have a higher planarity over the area than, for example, a diamond plate with a side length of 50 mm.
Die Diamantsegmente können zur Bildung eines größeren Spiegels auf verschiedene Weise aneinandergefügt werden. So ist es möglich, die Diamantsegmente ohne Trägersubstrat in einer Ebene aneinander zu fügen und miteinander zu verkleben oder zu bonden. Sie können aber auch in zwei Ebenen lateral ver- setzt an- und aufeinandergefügt und so miteinander verbunden werden.The diamond segments can be joined together in various ways to form a larger mirror. It is thus possible to join the diamond segments to one another without a carrier substrate and to glue or bond them to one another. However, they can also be laterally offset and attached to each other in two planes and thus connected to one another.
Wird ein Trägersubstrat verwendet, so können die Diamantsegmente einseitig oder beidseitig auf das Trägersubstrat ge- klebt bzw. gebondet werden, wobei es von Vorteil sein kann, die gegenüberliegenden Diamantsegmente lateral versetzt anzuordnen .If a carrier substrate is used, the diamond segments can be glued or bonded to the carrier substrate on one or both sides, it being advantageous to arrange the opposite diamond segments laterally offset.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an- hand der Zeichnung näher erläutert. 200312500The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawing. 200312500
Es zeigtIt shows
Figur 1 eine Laserbearbeitungsanordnung mit zwei Gal- vospiegeln,FIG. 1 shows a laser processing arrangement with two galvo mirrors,
Figur 2 ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Spiegel in perspektivischer Darstellung,FIG. 2 shows an example of a mirror according to the invention in a perspective view,
Figur 3 eine andere Ausführungsform eines erfindungs- gemäßen Spiegels in einer Ansicht von der Rückseite,FIG. 3 shows another embodiment of a mirror according to the invention in a view from the rear,
Figur 4 und 5 zwei mögliche Schnittprofile des Spiegels von Figur 34 and 5 show two possible sectional profiles of the mirror from FIG. 3
Figur 6 bis 10 weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen, aus mehreren DiamantSegmenten zusammengesetzten Spiegels jeweils in Seitenansicht.6 to 10 further embodiments of a mirror according to the invention, composed of a plurality of diamond segments, each in a side view.
In Figur 1 ist schematisch eine Anordnung zur Bearbeitung, d.h. zum Bohren oder Strukturieren von Leiterplatten, mit einem Laserstrahl gezeigt, wobei in einer Ablenkeinheit erfindungsgemäße Spiegel zum Einsatz kommen. Bei dieser Anordnung wird ein von einem Laser 1 abgegebener Laserstrahl 2 über ei- ne Ablenkeinheit, bestehend aus zwei Galvo-Ablenkelementen 3 und 4, und dann über eine Abbildungseinheit 5, vorzugsweise eine F-Theta-Linse, auf das zu bearbeitende Substrat, beispielsweise eine Leiterplatte 6 gelenkt, die auf einem Trägertisch 7 angeordnet ist und mittels dieses Tisches zumin- dest in zwei horizontalen Richtungen, vorzugsweise auch noch in vertikaler Richtung, verstellbar ist.In Figure 1 there is schematically an arrangement for processing, i.e. for drilling or structuring printed circuit boards, shown with a laser beam, mirrors according to the invention being used in a deflection unit. In this arrangement, a laser beam 2 emitted by a laser 1 is applied to the substrate to be processed, for example, via a deflection unit consisting of two galvo deflection elements 3 and 4 and then via an imaging unit 5, preferably an F-theta lens a printed circuit board 6, which is arranged on a support table 7 and can be adjusted by means of this table at least in two horizontal directions, preferably also in the vertical direction.
Das Ablenkelement 3 besteht aus einem Galvomotor 31, der einen Spiegel 32 antreibt und entsprechend dem Doppelpfeil 34 um seine Achse 33 verschwenkt. Entsprechend besteht das Ablenkelement 4 aus einem Galvomotor 41 und einem Spiegel 42, der entsprechend dem Doppelpfeil 44 um die Achse 43 ver- 200312500The deflection element 3 consists of a galvo motor 31 which drives a mirror 32 and pivots about its axis 33 in accordance with the double arrow 34. Correspondingly, the deflecting element 4 consists of a galvo motor 41 and a mirror 42 which, according to the double arrow 44, moves around the axis 43. 200312500
6 schwenkt wird. Durch die Schwenkbewegung des ersten Spiegels 32 wird der Laserstrahl 2 auf jeden gewünschten Punkt der Linie 45 auf dem zweiten Spiegel 42 gelenkt, und durch die Schwenkbewegung des Spiegels 42 kann dann der Laserstrahl auf jeden Punkt innerhalb der Fläche 61 der Leiterplatte 6 gelenkt werden, um dort beispielsweise ein Loch zu bohren oder eine Leiterschicht zu strukturieren.6 pivots. The pivotal movement of the first mirror 32 directs the laser beam 2 to any desired point on the line 45 on the second mirror 42, and the pivotal movement of the mirror 42 then allows the laser beam to be directed to any point within the surface 61 of the circuit board 6 by there, for example, drilling a hole or structuring a conductor layer.
Um die für die Laserbearbeitung geforderten hohen Geschwin- digkeiten erreichen zu können, müssen die Spiegel der Ablenkeinheit eine möglichst geringe Trägheitsmasse, d.h. eine möglichst geringe Dicke, aufweisen, gleichzeitig aber eine hohe Steifigkeit besitzen, damit sie nach jeder Sprungbewegung keine oder eine möglichst geringe Nachschwingzeit bis zum Stillstand benötigen. Je größer dabei die Spiegelfläche ist, umso schwieriger sind diese Forderungen einzuhalten.In order to be able to achieve the high speeds required for laser processing, the mirrors of the deflection unit must have the lowest possible mass of inertia, i.e. have a thickness that is as small as possible, but at the same time have a high degree of rigidity, so that after each jumping movement they require no or the least possible post-oscillation time until standstill. The larger the mirror surface, the more difficult it is to meet these requirements.
Die in einem Ablenksystem verwendeten Spiegel müssen nicht die gleiche Größe aufweisen. Wie aus Figur 1 beispielshalber zu ersehen ist, trifft der Laserstrahl 2 auf den im Strahlengang ersten Spiegel 3 - idealerweise - nur in dem Punkt 35 auf, während er durch die Schwenkbewegung dieses ersten Spiegels auf dem zweiten Spiegel in jedem Punkt der Linie 45 auf- treffen kann. Dementsprechend muss der zweite Spiegel 42 grö- ßer sein als der erste Spiegel 32. Das bedeutet, dass der erste Spiegel beispielsweise die geforderte geringe Trägheitsmasse und hohe Steifigkeit noch mit einem herkömmlichen Substrat, beispielsweise aus Glas oder Silizium, mit einer Substratdicke dl einhalten kann, während die gleiche Arbeits- geschwindigkeit bei dem zweiten Spiegel 42 nur mit einer geringeren Dicke d2 erreichbar ist. In diesem Fall besitzt der zweite Spiegel 42 erfindungsgemäß ein Spiegelsubstrat aus Diamant, das bei der geringeren Dicke d2 die geforderte Steifigkeit gewährleistet. Natürlich können aber beide Spiegel 32 und 42 aus Diamant hergestellt sein. 200312500The mirrors used in a deflection system do not have to be the same size. As can be seen from FIG. 1 by way of example, the laser beam 2 impinges on the first mirror 3 in the beam path — ideally — only at point 35, while it hits the second mirror at every point along line 45 due to the pivoting movement of this first mirror. can hit. Accordingly, the second mirror 42 must be larger than the first mirror 32. This means that the first mirror can still maintain the required low inertial mass and high rigidity, for example, with a conventional substrate, for example made of glass or silicon, with a substrate thickness d1. while the same working speed can only be achieved with the second mirror 42 with a smaller thickness d2. In this case, the second mirror 42 according to the invention has a mirror substrate made of diamond, which ensures the required rigidity with the smaller thickness d2. Of course, both mirrors 32 and 42 can be made of diamond. 200312500
7 In Figur 2 ist ein erfindungsgemäßer Diamantspiegel in perspektivischer Darstellung gezeigt, wobei anstelle der hier dargestellten achteckigen Form auch jede andere Form denkbar ist. Das Spiegelsubstrat 10 mit einer Dicke d wird auf seiner Vorderseite mit einer reflektierenden Beschichtung 11 versehen, die vorzugsweise speziell auf die Wellenlänge des verwendeten Lasers abgestimmt ist. Die Dicke d des Diamant- Spiegelsubstrats kann dabei in der Größenordnung von beispielsweise 0,2 bis 0,5 mm liegen, während diese Dicke d bei einem herkömmlichen Spiegelsubstrat aus Glas oder Silizium mit ansonsten gleicher Spiegelgröße bei etwa 1 bis 2 mm liegen würde. Durch das höhere Elastizitätsmodul und die dadurch bedingte höhere Steifigkeit des Diamants kann also der erfindungsgemäße Spiegel wesentlich dünner sein, so dass er eine geringere Masse besitzt und höhere Arbeitsgeschwindigkeiten zulässt .7 A diamond mirror according to the invention is shown in perspective in FIG. 2, with any other shape being conceivable instead of the octagonal shape shown here. The mirror substrate 10 with a thickness d is provided on its front side with a reflective coating 11, which is preferably specifically matched to the wavelength of the laser used. The thickness d of the diamond mirror substrate can be in the order of magnitude of, for example, 0.2 to 0.5 mm, while this thickness d would be approximately 1 to 2 mm in the case of a conventional mirror substrate made of glass or silicon with an otherwise identical mirror size. Due to the higher modulus of elasticity and the resulting higher stiffness of the diamond, the mirror according to the invention can therefore be significantly thinner, so that it has a lower mass and permits higher working speeds.
In Figur 2 ist weiterhin ein Trägersubstrat 12 angedeutet, das bei der Herstellung des Diamantsubstrats 10 zunächst als Grundlage dient und später zur Verringerung der Dicke und der Masse des Spiegelsubstrats ganz oder teilweise abgetragen werden kann. In den Figuren 3 bis 5 sind Beispiele gezeigt, wie das Trägersubstrat 12 in seiner Masse verringert werden kann und trotzdem zur zusätzlichen Versteifung des Spiegels verwendet werden kann. Figur 3 zeigt ein Spiegelsubstrat 10 von der Rückseite gesehen. Dabei sind durch Ausnehmungen 13 Rippen 14 und Verstrebungen 15 freigelegt, die die Masse des fertigen Spiegelsubstrats nur gering erhöhen, jedoch die Steifigkeit des Spiegelsubstrats 10 wesentlich verbessern. In den Figuren 4 und 5 sind zwei unterschiedliche Beispiele für solche Profile des Trägersubstrats gezeigt.A carrier substrate 12 is also indicated in FIG. 2, which initially serves as a basis in the production of the diamond substrate 10 and can later be removed in whole or in part to reduce the thickness and the mass of the mirror substrate. FIGS. 3 to 5 show examples of how the carrier substrate 12 can be reduced in its mass and still be used for additional stiffening of the mirror. FIG. 3 shows a mirror substrate 10 seen from the rear. In this case, ribs 14 and struts 15 are exposed through recesses 13, which only slightly increase the mass of the finished mirror substrate, but significantly improve the rigidity of the mirror substrate 10. 4 and 5 show two different examples of such profiles of the carrier substrate.
Wie bereits oben erwähnt, kann bei der Herstellung von Spiegelsubstraten aus Kunstdiamant nur eine bestimmte Planarität erreicht werden, welche von der Größe des Spiegelsubstrats abhängig ist. Für die Verwendung bei größeren Spiegeln, beispielsweise bei Spiegeln mit einer Seitenlänge von mehr als 200312500As already mentioned above, only a certain planarity can be achieved in the production of mirror substrates from artificial diamond, which depends on the size of the mirror substrate. For use with larger mirrors, for example mirrors with a side length of more than 200312500
25 mm, ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Spiegelsubstrat aus mehreren Diamantsegmenten zusammengesetzt wird. In den Figuren 6 bis 10 sind jeweils in Seitenansicht Beispiele für solche zusammengesetzten Spiegelsub- strate gezeigt. Dabei werden zunächst DiamantSegmente 21 hergestellt, die aufgrund ihrer kleinen Fläche von beispielsweise 10 x 10 mm eine hohe Planarität aufweisen. Diese Diamantsegmente können beispielsweise mit einem Ätzverfahren aus einer Diamantplatte getrennt werden. Die so gewonnenen Diamant- segmente 21 werden aneinandergefügt und miteinander verklebt oder gebondet, wodurch dann ein Spiegelsubstrat 20 mit der gewünschten größeren Fläche gewonnen wird. Die einzelnen Diamantsegmente 21 können gemäß Figur 6 ohne zusätzliches Trägersubstrat in einer Ebene aneinandergefügt werden. Gemäß Fi- gur 7 können solche Diamantsegmente auch in zwei Ebenen lateral versetzt aneinander- und aufeinandergefügt werden.25 mm, it is provided in a further development of the invention that the mirror substrate is composed of several diamond segments. In FIGS. 6 to 10 examples of such composite mirror substrates are shown in side view. Initially, diamond segments 21 are produced which, due to their small area of, for example, 10 × 10 mm, have high planarity. These diamond segments can be separated from a diamond plate using an etching process, for example. The diamond segments 21 obtained in this way are joined together and glued or bonded to one another, as a result of which a mirror substrate 20 with the desired larger area is then obtained. According to FIG. 6, the individual diamond segments 21 can be joined together in one plane without an additional carrier substrate. According to FIG. 7, such diamond segments can also be laterally offset from one another and joined to one another in two planes.
Wie in den Figuren 8 bis 10 weiter gezeigt ist, kann auch ein zusätzliches Trägersubstrat 22 verwendet werden, auf welches die Diamantsegmente 21 entweder einseitig gemäß Figur 8 oder zweiseitig gemäß Figur 9 aufgeklebt bzw. gebondet werden. Auch in diesem Fall können die gegenüberliegenden Diamantsegmente lateral versetzt werden, wie dies in Figur 10 gezeigt ist. Darüber hinaus können auch in diesem Fall in das Träger- substrat 22 Streben oder bestimmte Raster, beispielsweise gemäß den Figuren 3 bis 5, eingearbeitet werden, die wiederum die Masse reduzieren und dire Steifigkeit erhöhen.As further shown in FIGS. 8 to 10, an additional carrier substrate 22 can also be used, onto which the diamond segments 21 are glued or bonded either on one side according to FIG. 8 or on both sides according to FIG. In this case too, the opposite diamond segments can be laterally offset, as shown in FIG. In addition, struts or certain grids, for example according to FIGS. 3 to 5, can also be incorporated into the carrier substrate 22 in this case, which in turn reduce the mass and increase the rigidity.
In jedem Fall wird auch die Oberfläche des zusammengesetzten Spiegelsubstrats 20 noch poliert und vorzugsweise mit einer reflektierenden Beschichtung 11 versehen. In any case, the surface of the composite mirror substrate 20 is also polished and preferably provided with a reflective coating 11.

Claims

200312500Patentansprüche 200312500Patentansprüche
1. Spiegel für eine Ablenkeinheit in einem Lasersystem, bestehend aus einem flachen Spiegelsubstrat (10; 20) , wel- ehe zumindest auf einer Seite eine reflektierende Oberfläche (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelsubstrat (10; 20) aus Diamant besteht.1. Mirror for a deflection unit in a laser system, consisting of a flat mirror substrate (10; 20), which has a reflective surface (11) on at least one side, characterized in that the mirror substrate (10; 20) consists of diamond ,
2. Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diamant ein HOD (Highly Oriented Diamond) - Kunstdiamant ist.2. Mirror according to claim 1, characterized in that the diamond is a HOD (Highly Oriented Diamond) - artificial diamond.
3. Spiegel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelsubstrat (10; 20) in Form von mehreren dünnen Diamantfilmen auf einem Trägersubstrat (12) ausgebildet ist.3. Mirror according to claim 2, characterized in that the mirror substrate (10; 20) is designed in the form of a plurality of thin diamond films on a carrier substrate (12).
4. Spiegel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (12) aus Silizium besteht.4. Mirror according to claim 2 or 3, characterized in that the carrier substrate (12) consists of silicon.
5. Spiegel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge ennzeichnet, dass das Spiegelsubstrat (10; 20) aus Diamant auf einem durch Rippen (14) und Verstrebungen (15) gebildeten Trägergerüst ausgebildet ist.5. Mirror according to one of claims 2 to 4, characterized in that the mirror substrate (10; 20) is formed from diamond on a support structure formed by ribs (14) and struts (15).
6. Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelsubstrat (10; 20) auf der von der reflektierenden Oberfläche (11) abgewandten Seite ein durch Ausnehmungen gebildetes Versteifungsgerüst aufweist. 2003125006. Mirror according to one of claims 1 to 3, characterized in that the mirror substrate (10; 20) on the side facing away from the reflecting surface (11) has a stiffening structure formed by recesses. 200312500
1010
7. Spiegel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeic net, dass auf einem Trägersubstrat (22) beiderseits je ein Spiegelsubstrat (10; 20) angeordnet ist.7. Mirror according to one of claims 2 to 4, characterized gekennzeic net in that a mirror substrate (10; 20) is arranged on both sides of a carrier substrate (22).
8. Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelsubstrat (20) aus einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten DiamantSegmenten (21) gebildet ist.8. Mirror according to one of claims 1 to 7, characterized in that the mirror substrate (20) is formed from a plurality of diamond segments (21) arranged next to one another.
9. Spiegel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantsegmente (21) in mindestens zwei Ebenen lateral versetzt angeordnet und miteinander verbunden sind.9. Mirror according to claim 8, characterized in that the diamond segments (21) are laterally offset in at least two planes and are connected to one another.
10. Spiegel nach Anspruch 8, dadurch geken zeichnet, dass die Diamantsegmente (21) zumindest einseitig auf einer Oberfläche eines Trägersubstrats (22) angeordnet sind.10. Mirror according to claim 8, characterized in that the diamond segments (21) are arranged at least on one side on a surface of a carrier substrate (22).
11. Spiegel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantsegmente (21) auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen des Trägersubstrats (22) angeordnet sind.11. Mirror according to claim 11, characterized in that the diamond segments (21) are arranged on two opposite surfaces of the carrier substrate (22).
12. Spiegel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantsegmente (21) auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Trägersubstrats (22) lateral versetzt angeordnet sind.12. Mirror according to claim 12, characterized in that the diamond segments (21) on the opposite surfaces of the carrier substrate (22) are arranged laterally offset.
13. Spiegel nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch geken zeichnet, 20031250013. Mirror according to one of claims 8 to 13, characterized geken, 200312500
11 dass die DiamantSegmente (21) miteinander und/oder mit einem Trägersubstrat (22) verklebt sind.11 that the diamond segments (21) are glued to one another and / or to a carrier substrate (22).
14. Spiegel nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantsegmente (21) untereinander und/oder mit einem Trägersubstrat (22) gebondet sind.14. Mirror according to one of claims 8 to 13, characterized in that the diamond segments (21) are bonded to one another and / or to a carrier substrate (22).
15. Verfahren zur Herstellung eines Spiegels gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Trägersubstrat (12) mehrere Diamantschichten aus der Gasphase durch Dampfabscheidung (CVP) abgelagert werden, dass aus einer derart gewonnenen Diamantplatte einzelne Spiegelsubstrate (10) oder Diamantsegmente (21) in einer gewünschten Größe herausgetrennt werden und dass auf der Oberfläche des jeweiligen Spiegelsubstrats (10) eine Reflexionsschicht (11) abgeschieden wird.15. A method for producing a mirror according to one of claims 1 to 15, characterized in that a plurality of diamond layers from the gas phase are deposited by vapor deposition (CVP) on a carrier substrate (12), that individual mirror substrates (10) or Diamond segments (21) are cut out in a desired size and a reflective layer (11) is deposited on the surface of the respective mirror substrate (10).
16. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch geken zeichnet, dass das Trägersubstrat (12) von der den Diamantschichten abgewandten Seite her ganz oder teilweise abgeätzt wird.16. The method according to claim 16, characterized in that the carrier substrate (12) is completely or partially etched away from the side facing away from the diamond layers.
17. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch ge ennzeichnet, dass aus der Diamantplatte Diamantsegmente (21) in einer vorgegebenen Form und Größe, insbesondere durch Ätzen, abgetrennt werden und dass eine Mehrzahl von Diamantsegmenten (21) zur Bildung eines größeren Spiegelsubstrats (20) zusammengefügt wird.17. The method according to claim 16 or 17, characterized in that from the diamond plate diamond segments (21) in a predetermined shape and size, in particular by etching, are separated and that a plurality of diamond segments (21) to form a larger mirror substrate (20 ) is put together.
18. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch ge ennzeichnet, dass die Diamantsegmente (21) mit ihren Kanten aneinan- dergeklebt oder gebondet werden. 20031250018. The method according to claim 18, characterized in that the diamond segments (21) are glued or bonded to one another with their edges. 200312500
1212
19. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantsegmente (21) auf ein Trägersubstrat (22) geklebt oder gebondet werden.19. The method according to claim 18 or 19, characterized in that the diamond segments (21) are glued or bonded to a carrier substrate (22).
20. Ablenkeinheit in einem Lasersystem, in welchen ein Laserstrahl (2) über mindestens einen im Strahlengang angeordneten, über einen Drehantrieb (31, 41) verschwenkbaren Spiegel (32, 42) auf ein Werkstück (6) gelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Spiegel (42) mit einem Spiegelsubstrat (10) aus Diamant gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 gebildet ist.20. deflection unit in a laser system, in which a laser beam (2) is directed onto a workpiece (6) via at least one mirror (32, 42) arranged in the beam path and pivotable via a rotary drive (31, 41), characterized in that at least one of the mirrors (42) is formed with a mirror substrate (10) made of diamond according to one of claims 1 to 15.
21. Ablenkeinheit nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass von zwei im Strahlengang des Lasers (1) angeordneten Spiegeln (32, 42) der im Strahlengang nachgeschaltete Spiegel (42) eine größere Fläche und eine geringere Dicke (d2) als der vorgeschaltete Spiegel (32) besitzt und dass zumindest der nachgeschaltete Spiegel (42) mit einem Spiegelsubstrat (10) aus Diamant gebildet ist. 21. Deflection unit according to claim 21, characterized in that of two mirrors (32, 42) arranged in the beam path of the laser (1), the mirror (42) connected downstream in the beam path has a larger area and a smaller thickness (d2) than the upstream mirror ( 32) and that at least the downstream mirror (42) is formed with a mirror substrate (10) made of diamond.
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