WO2012159963A1 - Method for homogenizing the laser beam profile in processes using a laser guided by a liquid jet and corresponding device - Google Patents

Method for homogenizing the laser beam profile in processes using a laser guided by a liquid jet and corresponding device Download PDF

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WO2012159963A1
WO2012159963A1 PCT/EP2012/059162 EP2012059162W WO2012159963A1 WO 2012159963 A1 WO2012159963 A1 WO 2012159963A1 EP 2012059162 W EP2012059162 W EP 2012059162W WO 2012159963 A1 WO2012159963 A1 WO 2012159963A1
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Filip Granek
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der Angwandten Forschung E.V.
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Definitions

  • the invention relates to a method for homogenizing the laser beam profile in processes using a liquid-jet-guided laser, in which the laser beam generated in a laser source is coupled into a liquid jet directed onto the surface to be processed and exiting a nozzle by means of a focusing optics.
  • the homogenization of the laser beam profile can improve the processing quality in processes with the liquid-jet-guided laser.
  • the principle of the liquid jet laser is known from US 5,902,499 A.
  • a sharp-edged nozzle opening of the order of magnitude of 50 ⁇ m is used to pump water or other liquids at a pressure of the order of 100 bar. formed by a few cm long laminar liquid jet.
  • a laser beam is focused by means of suitable optics, which is guided by total reflection together with the liquid jet to the substrate to be processed.
  • the liquid jet laser was used for material removal with high laser powers.
  • the optics for coupling is therefore designed according to the prior art to achieve the least possible disturbing heating of the liquid in the pressure chamber.
  • the largest possible coupling-in angle is produced, as a result of which the optical power densities are kept low at a small distance from the nozzle opening.
  • the large coupling angle has the further advantage that high-power laser with poor beam quality can still be focused on a spot size significantly smaller than the nozzle opening.
  • Between laser and coupling optics usually a multimode glass fiber is attached.
  • the process has been developed in such a way that chemically active substances are used as a liquid, in particular to achieve a doping of crystalline silicon (US 2009/238994 A).
  • phosphoric acid is used, which is decomposed at the high temperatures at the reaction spot and thereby diffused as atomic phosphorus in the melted by the laser silicon.
  • an opening of the insulating layer is achieved.
  • the liquid jet has the properties of a multimode optical waveguide, which in the case of the laser light coupling methods used in the current state of the art results in a highly irregular illumination in the cross section of the liquid jet.
  • liquid-jet-guided laser a limitation of the liquid-jet-guided laser is that processable structure sizes can not be significantly smaller than the liquid jet diameter.
  • the occurrence of irregular illumination due to multimode characteristics is well known and studied in solid optical fibers.
  • the occurring pattern is called “Speckies” and the so-called “Speckle Contrast” is the stronger, depending bes- This is the coherence of the laser light.
  • the expression of the speckles is also dependent on conditions of the laser light coupling into the optical waveguide, in particular the coupling angle and the location of the coupling (deviation from an exactly central coupling).
  • the speckle pattern is temporally constant under static conditions, but varies depending on the length of the optical fiber.
  • a method for homogenizing the laser beam profile in processes using a liquid-jet-guided laser in which the laser beam generated in a laser source is directed into a surface to be processed and emerging from a nozzle Liquid jet is coupled by means of a focusing optics.
  • the invention features that before the coupling, the coherence of the laser beam is reduced and / or the laser beam is coupled into the liquid jet with a coupling angle in the range of 0 ° to 6 °.
  • the coherence of the laser beam is reduced by arranging at least one suitable optical element to reduce the coherence in front of the focusing optics.
  • This may preferably be an element with a defined surface roughness for light scattering or a glass fiber bundle with different lengths of glass fibers or an arrangement of semitransparent mirrors for multiple reflections or a beam shaping optical system adapted to the laser beam profile.
  • a rotating diffuser it is also possible to use a rotating diffuser.
  • the aforementioned optical elements can also be combined with each other.
  • the coupling angle of the laser beam is in the range of 1 ° to 3 °, in particular for the production of laser spots with a significantly smaller diameter than the diameter of the liquid jet.
  • Another aspect of the invention relates to the fact that it has surprisingly been found that laser light is concentrated to a smaller, approximately Gaussian spot near the beam center by suitable mode formation can.
  • This is achieved by providing a laser beam with good coherence and beam quality (M 2 near 1), which can preferably be ensured when the laser beam is coupled in by means of a single-mode optical waveguide or directly by means of free-beam optics, with a small coupling angle ⁇ 6 ° , in particular ⁇ 3 °, is centered on the nozzle opening.
  • M 2 near 1 good coherence and beam quality
  • ⁇ 6 ° in particular ⁇ 3 °
  • the length scale on which a change of the speckle pattern, for example from a point to a ring shape, occurs is large.
  • the pattern over a liquid jet length of a few 100 microns is approximately constant and thus easily adjustable with a mechanical height adjustment of the nozzle and also insensitive to minor changes in height of the substrate to be processed.
  • a major advantage of this aspect of the invention is the possibility of structures significantly smaller than the nozzle diameter and also significantly smaller than a technically producible
  • the spot has a uniform distribution of the laser light, whereby a homogeneous processing quality is given.
  • the pulse energy must be chosen to be sufficiently small so that the intensities outside the spot are below the processing threshold.
  • the laser spot on the surface to be processed may preferably have a diameter in the range from 1 to 200 ⁇ m. If the laser spot is applied to the diameter of the liquid jet, it preferably has a diameter in the range from 40 to 50 ⁇ m. Should the laser spot be much smaller than the Diameter of the liquid jet are designed, it preferably has a diameter in the range of 3 to 10 microns.
  • the ratio of the diameter of the laser spot to the diameter of the liquid jet is in the range of 1: 1 to 1: 1.25 for a laser spot substantially corresponding to the diameter of the liquid jet or in the range of 1: 5 to 1:20 for one to the diameter the liquid jet significantly reduced laser spot.
  • the distance between nozzle and surface is adjusted in order to achieve the highest possible homogeneity of the laser beam profile.
  • a singlemode optical waveguide or a free-beam optics for the provision of laser beams of high coherence and beam quality is arranged.
  • the laser beam profile is controlled with a camera and possibly a microscope objective, possibly with attenuating filters for the occurring intensities.
  • This camera can be placed diagonally next to the nozzles which allows a direct measurement during the process.
  • a transparent disc is arranged at the same height and next to the surface to be processed and the camera is mounted under this disc. This arrangement can then be moved under unloading and loading phases under the nozzle for process control.
  • the height of the nozzle (s), the laser power and possibly the coupling-in optics can then be regulated to the desired result. Irrespective of the reduction of the speckle problem, the camera control makes possible an industrially very valuable process control, which is not given in the state of the art.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the invention.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the invention.
  • Fig. 3 shows a micrograph of a beam profile according to the prior art.
  • FIG. 4 shows a micrograph of a beam profile of a homogenized according to the invention Laser beam profile.
  • FIG. 5 shows a micrograph of a laser beam profile of a laser beam according to the invention with a small laser spot.
  • Fig. 1 shows an apparatus for processing surfaces with a laser source 1, for example, generates laser beams with a wavelength of 532 nm, a pulse duration of 15 ns, a pulse energy of 100 ⁇ J and a Freguenz of 100 kHz.
  • the laser beams on a focusing optics 4 for example, with a focal length of 25.4 mm.
  • the laser beam focused through the focusing optics 4 is coupled into the nozzle opening 6, wherein the coupling-in angle 5 in the present example is approximately 20 °.
  • a liquid jet 7 is produced with a diameter of 41.5 microns. This liquid jet 7 is directed onto the silicon wafer 8.
  • a laser source 1 which generates a coherent laser beam 2, which is directed to a focusing optics 4.
  • a focusing optics 4 In the present case, there is a focus, so that a smaller
  • Coupling angle of about 3.4 ° results.
  • the laser beam 2 is coupled into the nozzle opening 6, through which a liquid jet 7 is generated.
  • the liquid jet 7 is not directed to the silicon wafer 8, but on a glass plate 9, under which a camera 10 with Microscope lens is arranged.
  • a process control can be performed so that the process parameters for the liquid jet and / or the laser beam are optimized.
  • Fig. 3 a beam profile in the liquid jet according to the prior art is shown. It can be clearly seen that different bright points indicate inhomogeneities.
  • a modified according to the present invention laser beam profile is shown in the liquid jet. It shows a substantially uniform illumination of the surface, which speaks for an improved homogeneity.
  • Fig. 5 an inventive laser beam profile is shown, in which case the diameter of the laser spot is significantly smaller than the diameter of the liquid jet (outer white circle).

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Abstract

The invention relates to a method for homogenizing the laser beam profile in processes using a laser guided by a liquid jet, in which the laser beam (2) generated in a laser source (1) is coupled by means of focusing optics (4) into a liquid jet (7) that is emerging from a nozzle (6) and is directed onto the surface to be worked. Homogenizing the laser beam profile allows the quality of the working performed to be improved in processes in which the laser is guided by a liquid jet.

Description

Verfahren zur Homogenisierung des Laserstrahlprofils bei Prozessen unter Einsatz eines flüssigkeitsstrahl- geführten Lasers und entsprechende Vorrichtung  Method for homogenizing the laser beam profile in processes using a liquid-beam guided laser and corresponding device
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Homogenisierung des Laserstrahlprofils bei Prozessen unter Einsatz eines flüssigkeitsstrahlgeführten Lasers, bei dem der in einer Laserquelle erzeugte Laserstrahl in einen auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichteten und aus einer Düse austretenden Flüssigkeitsstrahl mittels einer Fokussieroptik eingekoppelt wird. Durch die Homogenisierung des Laserstrahlprofils kann die Bearbeitungsqualität bei Prozessen mit dem flüssig- keitsstrahlgeführten Laser verbessert werden. The invention relates to a method for homogenizing the laser beam profile in processes using a liquid-jet-guided laser, in which the laser beam generated in a laser source is coupled into a liquid jet directed onto the surface to be processed and exiting a nozzle by means of a focusing optics. The homogenization of the laser beam profile can improve the processing quality in processes with the liquid-jet-guided laser.
Das Prinzip des flüssigkeitsstrahlgeführten Lasers ist aus der US 5,902,499 A bekannt. Hier wird durch eine scharfkantige Düsenöffnung in der Größenordnung 50 μm Wasser oder andere Flüssigkeiten mit einem Druck in der Größenordnung von 100 bar gepumpt, wo- durch ein einige cm langer laminarer Flüssigkeitsstrahl entsteht. Durch ein Fenster oberhalb der Düsenöffnung wird mittels einer geeigneten Optik ein Laserstrahl fokussiert, welcher mittels Totalreflexion zusammen mit dem Flüssigkeitsstrahl zum zu bearbeitenden Substrat geführt wird. The principle of the liquid jet laser is known from US 5,902,499 A. Here, a sharp-edged nozzle opening of the order of magnitude of 50 μm is used to pump water or other liquids at a pressure of the order of 100 bar. formed by a few cm long laminar liquid jet. Through a window above the nozzle opening, a laser beam is focused by means of suitable optics, which is guided by total reflection together with the liquid jet to the substrate to be processed.
Üblicherweise wurde der flüssigkeitsstrahlgeführte Laser zum Materialabtrag mit hohen Laserleistungen verwendet. Die Optik zur Einkopplung ist nach dem Stand der Technik daher darauf ausgelegt, eine möglichst geringe störende Erwärmung der Flüssigkeit in der Druckkammer zu erreichen. Es wird ein möglichst großer Einkoppelwinkel hergestellt, wodurch die optischen Leistungsdichten in geringer Entfernung von der Düsenöffnung niedrig gehalten werden. Der große Einkoppelwinkel hat weiterhin den Vorteil, dass Hochleistungslaser mit schlechter Strahlqualität dennoch auf eine Spotgröße deutlich kleiner als die Düsenöffnung fokussiert werden können. Zwischen Laser und Einkopplungsoptik ist üblicherweise eine Multimode- Glasfaser angebracht. Usually, the liquid jet laser was used for material removal with high laser powers. The optics for coupling is therefore designed according to the prior art to achieve the least possible disturbing heating of the liquid in the pressure chamber. The largest possible coupling-in angle is produced, as a result of which the optical power densities are kept low at a small distance from the nozzle opening. The large coupling angle has the further advantage that high-power laser with poor beam quality can still be focused on a spot size significantly smaller than the nozzle opening. Between laser and coupling optics usually a multimode glass fiber is attached.
Für die Photovoltaikindustrie wurde das Verfahren derart weiterentwickelt, dass chemisch aktive Substanzen als Flüssigkeit verwendet werden, um insbesondere eine Dotierung von kristallinem Silicium zu erreichen (US 2009/238994 A) . Hierbei wird z.B. Phosphorsäure verwendet, welche bei den hohen Temperaturen am Reaktionsspot zersetzt wird und dadurch als atomarer Phosphor in das durch den Laser geschmolzene Silicium eindiffundiert. Gleichzeitig wird eine Öffnung der Isolationsschicht erreicht. Der Flüssigkeitsstrahl weist die Eigenschaften eines Multimode-Lichtwellenleiters auf, was bei den im aktuellen Stand der Technik verwendeten Methoden der Laserlichteinkopplung eine stark unregelmäßige Ausleuchtung im Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls zur Folge hat. Besonders bei Prozessen mit geringer Laserpulsenergie, z.B. beim lokalen Dotieren mit dem Laser-Chemical-Processing (LCP) Verfahren, führt dies zu einer Abbildung des Ausleuchtungsmusters auf das zu bearbeitende Substrat und damit zu starken lateralen Unregelmäßigkeiten des Prozessergebnisses, z.B. zu einer inhomogenen Dotierung. For the photovoltaic industry, the process has been developed in such a way that chemically active substances are used as a liquid, in particular to achieve a doping of crystalline silicon (US 2009/238994 A). Here, for example, phosphoric acid is used, which is decomposed at the high temperatures at the reaction spot and thereby diffused as atomic phosphorus in the melted by the laser silicon. At the same time an opening of the insulating layer is achieved. The liquid jet has the properties of a multimode optical waveguide, which in the case of the laser light coupling methods used in the current state of the art results in a highly irregular illumination in the cross section of the liquid jet. Especially in processes with low laser pulse energy, eg local doping with the laser-chemical-processing (LCP) method, this leads to a mapping of the illumination pattern on the substrate to be processed and thus to strong lateral irregularities of the process result, for example, to an inhomogeneous doping.
Durch die unregelmäßige Ausleuchtung entsteht nach einem Laserpuls eine nachteilige inhomogene Öffnung und Dotierung, welche beim Stand der Technik nur durch eine starke räumliche Überlappung der aufeinanderfolgenden Laserpulse homogenisiert werden kann (Fell, A. , S. Hopman und F. Granek, „Simulation supported description of the local doping formation using laser chemical processing (LCP)", Applied Physics A, 2010) . Dies reduziert jedoch erheblich die erreichbare Prozessgeschwindigkeit und ist daher für eine industrielle Anwendung eine sehr ungünstige Maßnahme . The irregular illumination results in a disadvantageous inhomogeneous opening and doping after a laser pulse, which in the prior art can only be homogenized by a strong spatial overlap of the successive laser pulses (Fell, A., S. Hopman and F. Granek, "Simulation supported description However, this significantly reduces the achievable process speed and is therefore a very unfavorable measure for industrial application.
Weiterhin besteht eine Limitierung des flüssigkeits- strahlgeführten Lasers darin, dass prozessierbare Strukturgrößen nicht wesentlich kleiner als der Flüssigkeitsstrahldurchmesser sein können. Furthermore, a limitation of the liquid-jet-guided laser is that processable structure sizes can not be significantly smaller than the liquid jet diameter.
Das Auftreten von unregelmäßigen Ausleuchtungen aufgrund von Multimode-Eigenschaften ist bei festen Lichtwellenleitern gut bekannt und untersucht. Das auftretende Muster wird als „Speckies" bezeichnet und der sog. „Speckle-Kontrast" ist umso stärker, je bes- ser die Kohärenz des Laserlichts ist. Bekanntermaßen ist die Ausprägung der Speckies ebenfalls abhängig von Bedingungen der Laserlichteinkopplung in den Lichtwellenleiter, insbesondere dem Einkoppelwinkel und dem Ort der Einkopplung (Abweichung von einer exakt mittigen Einkopplung) . The occurrence of irregular illumination due to multimode characteristics is well known and studied in solid optical fibers. The occurring pattern is called "Speckies" and the so-called "Speckle Contrast" is the stronger, depending bes- This is the coherence of the laser light. As is known, the expression of the speckles is also dependent on conditions of the laser light coupling into the optical waveguide, in particular the coupling angle and the location of the coupling (deviation from an exactly central coupling).
Das Speckle-Muster ist bei statischen Bedingungen zeitlich konstant, ändert sich jedoch in Abhängigkeit von der Länge des Lichtwellenleiters. The speckle pattern is temporally constant under static conditions, but varies depending on the length of the optical fiber.
Es sind Verfahren aus den Gebieten der Projektionstechnik und der Messtechnik bekannt, um die Kohärenz des Laserlichts vor der Einkopplung in die bildgebende Optik zu reduzieren, um eine vorteilhafte Reduzierung des Speckle-Kontrastes zu erreichen Methods in the fields of projection technology and measurement technology are known in order to reduce the coherence of the laser light prior to coupling into the imaging optics in order to achieve a favorable reduction in speckle contrast
(US 6,898,216) .  (US 6,898,216).
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Bearbeitungsqualität bei Prozessen mit flüssigkeitsstrahlgeführten Lasern zu verbessern, ohne dabei die Prozessgeschwindigkeit negativ zu beeinflussen. Based on this, it was an object of the present invention to improve the quality of processing in processes with liquid-jet-guided lasers, without negatively affecting the process speed.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf . This object is achieved by the method having the features of claim 1 and the device having the features of claim 13. The other dependent claims show advantageous developments.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Homogenisierung des Laserstrahlprofils bei Prozessen unter Einsatz eines flüssigkeitsstrahlgeführten Lasers bereitgestellt, bei dem der in einer Laserquelle erzeugte Laserstrahl in einen auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichteten und aus einer Düse austretenden Flüssigkeitsstrahl mittels einer Fokussieroptik eingekoppelt wird. Dabei kennzeichnet die Erfindung, dass vor der Einkopplung die Kohärenz des Laserstrahls reduziert wird und/oder der Laserstrahl in den Flüssigkeitsstrahl mit einem Einkopplungswinkel im Bereich von 0° bis 6° eingekoppelt wird. According to the invention, a method for homogenizing the laser beam profile in processes using a liquid-jet-guided laser is provided, in which the laser beam generated in a laser source is directed into a surface to be processed and emerging from a nozzle Liquid jet is coupled by means of a focusing optics. In this case, the invention features that before the coupling, the coherence of the laser beam is reduced and / or the laser beam is coupled into the liquid jet with a coupling angle in the range of 0 ° to 6 °.
Hierdurch wird eine deutlich homogenere bzw. radial gleichmäßig abfallende Ausleuchtung über die gesamte Querschnittsfläche des Laserstrahls ermöglicht. As a result, a significantly more homogeneous or radially uniformly decreasing illumination over the entire cross-sectional area of the laser beam is made possible.
Vorzugsweise erfolgt die Reduzierung der Kohärenz des Laserstrahls durch Anordnen mindestens eines geeigneten optischen Elementes zur Reduzierung der Kohärenz vor der Fokussieroptik . Hierbei kann es sich bevorzugt um ein Element mit definierter Oberflächenrauhigkeit zur Lichtstreuung oder ein Glasfaserbündel mit unterschiedlichen Längen der Glasfasern oder eine Anordnung von semitransparenten Spiegeln für Mehrfachreflexionen oder eine auf das Laserstrahlprofil angepasste Strahlformungsoptik handeln. Ebenso ist es aber auch möglich, einen rotierenden Diffusor einzusetzen. Die zuvor aufgeführten optischen Elemente können auch miteinander kombiniert werden. Preferably, the coherence of the laser beam is reduced by arranging at least one suitable optical element to reduce the coherence in front of the focusing optics. This may preferably be an element with a defined surface roughness for light scattering or a glass fiber bundle with different lengths of glass fibers or an arrangement of semitransparent mirrors for multiple reflections or a beam shaping optical system adapted to the laser beam profile. Likewise, it is also possible to use a rotating diffuser. The aforementioned optical elements can also be combined with each other.
Vorzugsweise liegt der Einkopplungswinkel des Laserstrahls im Bereich von 1° bis 3°, insbesondere für die Erzeugung von Laserspots mit einem deutlich geringeren Durchmesser als dem Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls . Preferably, the coupling angle of the laser beam is in the range of 1 ° to 3 °, in particular for the production of laser spots with a significantly smaller diameter than the diameter of the liquid jet.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Aspekt betrifft die Tatsache, dass überraschenderweise festgestellt wurde, dass Laserlicht auf einen kleineren, näherungsweise gaußförmigen Spot nahe der Strahlmitte durch eine geeignete Modenausbildung konzentriert werden kann. Dies wird erreicht, indem ein Laserstrahl mit einer guten Kohärenz und Strahlqualität (M2 nahe 1) , wie sie vorzugsweise bei einer Einkopplung des Laserstrahls mittels eines Single-Mode-Lichtwellenleiters oder direkt mittels Freistrahloptik gewährleistet werden kann, mit einem kleinen Einkoppelwinkel < 6°, insbesondere < 3°, mittig auf die Düsenöffnung fokus- siert wird. Dabei zeigt eine Abweichung von der exakt mittigen Einkopplung von einigen μm, welche technisch ohne weiteres eingehalten werden kann, keinen großen Einfluss. Weiterhin ist bei einem kleinen Einkoppelwinkel die Längenskala, auf der eine Änderung des Speckle-Musters , z.B. von einem Punkt zu einer Ringform, auftritt, groß. Für einen Einkoppelwinkel von zum Beispiel 3° ist das Muster über eine Flüssigkeitsstrahllänge von wenigen 100 μm näherungsweise konstant und damit mit einer mechanischen Höhenverstellung der Düsen einfach einstellbar und zudem unempfindlich auf kleinere Höhenänderungen des zu bearbeitenden Substrats. Ein großer Vorteil dieses erfindungsgemäßen Aspektes ist die Möglichkeit, Strukturen deutlich kleiner als der Düsendurchmesser und auch deutlich kleiner als ein technisch erzeugbarer Another aspect of the invention relates to the fact that it has surprisingly been found that laser light is concentrated to a smaller, approximately Gaussian spot near the beam center by suitable mode formation can. This is achieved by providing a laser beam with good coherence and beam quality (M 2 near 1), which can preferably be ensured when the laser beam is coupled in by means of a single-mode optical waveguide or directly by means of free-beam optics, with a small coupling angle <6 ° , in particular <3 °, is centered on the nozzle opening. In this case, a deviation from the exact center coupling of a few microns, which can be technically complied with easily, no great impact. Furthermore, with a small coupling angle, the length scale on which a change of the speckle pattern, for example from a point to a ring shape, occurs is large. For a coupling angle of, for example, 3 °, the pattern over a liquid jet length of a few 100 microns is approximately constant and thus easily adjustable with a mechanical height adjustment of the nozzle and also insensitive to minor changes in height of the substrate to be processed. A major advantage of this aspect of the invention is the possibility of structures significantly smaller than the nozzle diameter and also significantly smaller than a technically producible
Flüssigkeitsstrahl zu prozessieren. Der Spot weist eine gleichmäßige Verteilung des Laserlichts auf, wodurch auch eine homogene Bearbeitungsqualität gegeben ist. Die Pulsenergie muss hinreichend klein gewählt werden, sodass die Intensitäten außerhalb des Spots unterhalb der Prozessierungsschwelle liegen. Process liquid jet. The spot has a uniform distribution of the laser light, whereby a homogeneous processing quality is given. The pulse energy must be chosen to be sufficiently small so that the intensities outside the spot are below the processing threshold.
Vorzugsweise kann der Laserspot auf der zu bearbeitenden Oberfläche einen Durchmesser im Bereich von 1 bis 200 μm aufweisen. Ist der Laserspot an den Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls angelegt, hat er vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 40 bis 50 μm. Soll der Laserspot deutlich kleiner als der Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls ausgelegt werden, so weist er vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 3 bis 10 μm auf. The laser spot on the surface to be processed may preferably have a diameter in the range from 1 to 200 μm. If the laser spot is applied to the diameter of the liquid jet, it preferably has a diameter in the range from 40 to 50 μm. Should the laser spot be much smaller than the Diameter of the liquid jet are designed, it preferably has a diameter in the range of 3 to 10 microns.
Vorzugsweise liegt das Verhältnis des Durchmessers des Laserspots zum Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls im Bereich von 1:1 bis 1:1,25 für einen dem Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls im Wesentlichen entsprechenden Laserspot oder im Bereich von 1:5 bis 1:20 für einen gegenüber dem Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls deutlich reduzierten Laserspot. Preferably, the ratio of the diameter of the laser spot to the diameter of the liquid jet is in the range of 1: 1 to 1: 1.25 for a laser spot substantially corresponding to the diameter of the liquid jet or in the range of 1: 5 to 1:20 for one to the diameter the liquid jet significantly reduced laser spot.
Sofern Laserspots mit geringem Durchmesser angestrebt werden, ist es bevorzugt, dass der Abstand zwischen Düse und Oberfläche justiert wird, um eine möglichst hohe Homogenität des Laserstrahlprofils zu erreichen. If laser spots with a small diameter are desired, it is preferred that the distance between nozzle and surface is adjusted in order to achieve the highest possible homogeneity of the laser beam profile.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass zwischen Laserquelle und Fokussieroptik ein Singlemode-Lichtwellenleiter oder eine Freistrahloptik zur Bereitstellung von Laserstrahlen hoher Kohärenz und Strahlqualität angeordnet wird. It is further preferred that between the laser source and focusing optics, a singlemode optical waveguide or a free-beam optics for the provision of laser beams of high coherence and beam quality is arranged.
Die beschriebenen erfindungsgemäßen Aspekte sind abhängig von den Einkoppelbedingungen und auch von der Strahllänge des Flüssigkeitsstrahls. Für eine praktische Anwendung kann es daher hilfreich sein, die Ausleuchtung im Flüssigkeitsstrahl vor dem Prozess zu messen und einzustellen und möglicherweise nach jeder Änderung beeinflussender Parameter zu wiederholen. The described aspects of the invention are dependent on the Einkoppelbedingungen and also on the jet length of the liquid jet. For a practical application it may therefore be helpful to measure and adjust the illumination in the liquid jet before the process and possibly to repeat it after each change of influencing parameters.
Es ist daher bevorzugt, dass das Laserstrahlprofil mit einer Kamera und gegebenenfalls einem Mikroskopobjektiv, eventuell mit abschwächenden Filtern für die auftretenden Intensitäten, kontrolliert wird. Diese Kamera kann schräg neben den Düsen angeordnet werden, was eine direkte Messung während des Prozesses ermöglicht. It is therefore preferred that the laser beam profile is controlled with a camera and possibly a microscope objective, possibly with attenuating filters for the occurring intensities. This camera can be placed diagonally next to the nozzles which allows a direct measurement during the process.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass eine transparente Scheibe auf gleicher Höhe und neben der zu bearbeitenden Oberfläche angeordnet wird und unter dieser Scheibe die Kamera angebracht ist. Diese Anordnung kann dann in Ent- und Beladungsphasen unter die Düse zur Prozesskontrolle gefahren werden. Another possibility is that a transparent disc is arranged at the same height and next to the surface to be processed and the camera is mounted under this disc. This arrangement can then be moved under unloading and loading phases under the nozzle for process control.
Mittels des Kamerabildes und einer geeignet programmierten Bildverarbeitungssoftware kann dann die Höhe der Düse(n), die Laserleistung und eventuell die Einkopplungsoptik zum gewünschten Ergebnis hin geregelt werden. Unabhängig von der Reduzierung des Speckle- Problems wird durch die Kameraregelung eine industriell sehr wertvolle Prozesskontrolle ermöglicht, wie sie nach dem Stand der Technik nicht gegeben ist. By means of the camera image and a suitably programmed image processing software, the height of the nozzle (s), the laser power and possibly the coupling-in optics can then be regulated to the desired result. Irrespective of the reduction of the speckle problem, the camera control makes possible an industrially very valuable process control, which is not given in the state of the art.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungs- gemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen. The subject according to the invention is intended to be explained in more detail with reference to the following figures, without wishing to restrict it to the specific embodiments shown here.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Fig. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the invention.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Fig. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the invention.
Fig. 3 zeigt eine mikroskopische Aufnahme eines Strahlprofils gemäß dem Stand der Technik. Fig. 3 shows a micrograph of a beam profile according to the prior art.
Fig. 4 zeigt eine mikroskopische Aufnahme eines Strahlprofils eines erfindungsgemäß homogenisierten Laserstrahlprofils . 4 shows a micrograph of a beam profile of a homogenized according to the invention Laser beam profile.
Fig. 5 zeigt eine mikroskopische Aufnahme eines Laserstrahlprofils eines erfindungsgemäßen Laserstrahls mit kleinem Laserspot. 5 shows a micrograph of a laser beam profile of a laser beam according to the invention with a small laser spot.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Oberflächen mit einer Laserguelle 1, die z.B. Laserstrahlen mit einer Wellenlänge von 532 nm, einer Pulsdauer, von 15 ns, einer Pulsenergie von 100 μJ und einer Freguenz von 100 kHz erzeugt. Der kohärente Laserstrahl 2, z.B. mit einem Gauss-Durchmesser von 3 mm und M2=1,2, wird in ein Glasfaserbündel 3 mit unterschiedlichen Längen zur Kohärenzreduzierung geleitet. Aus dem Glasfaserbündel 3 treten die Laserstrahlen auf eine Fokussieroptik 4, z.B. mit einer Brennweite von 25,4 mm. Der durch die Fokussieroptik 4 fo- kussierte Laserstrahl wird in die Düsenöffnung 6 eingekoppelt, wobei der Einkoppelwinkel 5 im vorliegenden Beispiel etwa 20° beträgt. Durch die Düsenöffnung 6, z.B. mit einem Durchmesser von 50 μm, wird ein Flüssigkeitsstrahl 7 mit einem Durchmesser von 41,5 μm erzeugt. Dieser Flüssigkeitsstrahl 7 wird auf den Silicium-Wafer 8 gerichtet. Fig. 1 shows an apparatus for processing surfaces with a laser source 1, for example, generates laser beams with a wavelength of 532 nm, a pulse duration of 15 ns, a pulse energy of 100 μJ and a Freguenz of 100 kHz. The coherent laser beam 2, for example with a Gaussian diameter of 3 mm and M 2 = 1.2, is guided into a glass fiber bundle 3 with different lengths for coherence reduction. From the glass fiber bundle 3, the laser beams on a focusing optics 4, for example, with a focal length of 25.4 mm. The laser beam focused through the focusing optics 4 is coupled into the nozzle opening 6, wherein the coupling-in angle 5 in the present example is approximately 20 °. Through the nozzle opening 6, for example with a diameter of 50 microns, a liquid jet 7 is produced with a diameter of 41.5 microns. This liquid jet 7 is directed onto the silicon wafer 8.
In Fig. 2 ist eine Laserquelle 1 dargestellt, die einen kohärenten Laserstrahl 2 erzeugt, der auf eine Fokussieroptik 4 gerichtet ist. Im vorliegenden Fall erfolgt eine Fokussierung, so dass ein kleiner In Fig. 2, a laser source 1 is shown, which generates a coherent laser beam 2, which is directed to a focusing optics 4. In the present case, there is a focus, so that a smaller
Einkoppelwinkel von etwa 3,4° resultiert. Der Laserstrahl 2 wird in die Düsenöffnung 6 gekoppelt, durch die ein Flüssigkeitsstrahl 7 erzeugt wird. Coupling angle of about 3.4 ° results. The laser beam 2 is coupled into the nozzle opening 6, through which a liquid jet 7 is generated.
Im vorliegenden Fall ist der Flüssigkeitsstrahl 7 nicht auf den Silicium-Wafer 8 gerichtet, sondern auf eine Glasscheibe 9, unter der eine Kamera 10 mit Mikroskopobjektiv angeordnet ist. Mit dieser Anordnung kann eine Prozesskontrolle durchgeführt werden, so dass die Prozessparameter für den Flüssigkeitsstrahl und/oder den Laserstrahl optimiert werden. In the present case, the liquid jet 7 is not directed to the silicon wafer 8, but on a glass plate 9, under which a camera 10 with Microscope lens is arranged. With this arrangement, a process control can be performed so that the process parameters for the liquid jet and / or the laser beam are optimized.
In Fig. 3 ist ein Strahlprofil im Flüssigkeitsstrahl gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Hierbei ist deutlich zu erkennen, dass unterschiedliche helle Punkte auf Inhomogenitäten hinweisen. In Fig. 3, a beam profile in the liquid jet according to the prior art is shown. It can be clearly seen that different bright points indicate inhomogeneities.
In Fig. 4 ist ein gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziertes Laserstrahlprofil im Flüssigkeitsstrahl dargestellt. Es zeigt sich eine wesentlich gleichmäßige Ausleuchtung der Fläche, was für eine verbesserte Homogenität spricht. 4, a modified according to the present invention laser beam profile is shown in the liquid jet. It shows a substantially uniform illumination of the surface, which speaks for an improved homogeneity.
In Fig. 5 ist ein erfindungsgemäßes Laserstrahlprofil dargestellt, wobei hier der Durchmesser des Laserspots deutlich geringer als der Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls (äußerer weißer Kreis) ist. In Fig. 5, an inventive laser beam profile is shown, in which case the diameter of the laser spot is significantly smaller than the diameter of the liquid jet (outer white circle).

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Homogenisierung des Laserstrahlprofils bei Prozessen unter Einsatz eines flüssigkeitsstrahlgeführten Lasers, bei dem der in einer Laserquelle erzeugte Laserstrahl in ei nen auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichte ten und aus einer Düse austretenden Flüssigkeitsstrahl mittels einer Fokussieroptik eingekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Einkopplung die Kohärenz des Laserstrahls reduziert wird und/oder der Laserstrahl in den Flüssigkeitsstrahl mit einem Einkopplungswinkel im Bereich von 0° bis 6° eingekoppelt wird. 1. A method for homogenizing the laser beam profile in processes using a liquid jet laser in which the laser beam generated in a laser source in egg NEN on the surface to be machined th and coupled from a nozzle liquid jet is coupled by means of a focusing optics, characterized in that before the coupling, the coherence of the laser beam is reduced and / or the laser beam is coupled into the liquid jet with a coupling angle in the range of 0 ° to 6 °.
2. Verfahren nach Anspruch 1, 2. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Kohärenz des Laserstrahls durch Anordnen mindestens eines optischen Elementes zur Reduzierung der Kohärenz vor der Fokussieroptik erfolgt.  characterized in that the reduction of the coherence of the laser beam by arranging at least one optical element to reduce the coherence before the focusing optics takes place.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , 3. The method according to claim 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine optische Element ein Element mit definierter Oberflächenrauhigkeit zur Lichtstreuung, ein characterized in that the at least one optical element is an element with a defined surface roughness for light scattering
Glasfaserbündel mit unterschiedlichen Längen der Glasfasern, eine Anordnung von semitransparenten Spiegeln für Mehrfachreflexionen, eine auf das Laserstrahlprofil angepasste Strahlformungsop- tik, ein rotierender Diffusor oder eine Kombinationen von diesen ist. Glass fiber bundles with different lengths of glass fibers, an arrangement of semi-transparent mirrors for multiple reflections, a Strahlformungsop- adapted to the laser beam profile tik, a rotating diffuser or a combination of these is.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspr che, 4. Method according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass der Einkopplungs winkel des Laserstrahls im Bereich von 1° bis 3º liegt .  characterized in that the launching angle of the laser beam is in the range of 1 ° to 3 °.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 5. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass der Laserspot auf der zu bearbeitenden Oberfläche einen Durchmesser im Bereich von 1 bis 200 μm aufweist, insbe sondere 40 bis 50 μm für einen dem Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls im Wesentlichen entspre chenden Laserspot oder 3 bis 10 μm für einen ge genüber dem Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls deutlich reduzierten Laserspot.  characterized in that the laser spot on the surface to be machined has a diameter in the range of 1 to 200 microns, in particular special 40 to 50 microns for a diameter of the liquid jet substantially corre sponding laser spot or 3 to 10 microns for a ge compared to the diameter the liquid jet significantly reduced laser spot.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Durchmessers des Laserspots zum Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls im Bereich von 1:1 bis 1:1,25 für einen dem Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls im Wesentlichen entsprechenden Laserspot oder im Bereich von 1:5 bis 1:20 für ei nen gegenüber dem Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls deutlich reduzierten Laserspot liegt. characterized in that the ratio of the diameter of the laser spot to the diameter of the liquid jet in the range of 1: 1 to 1: 1.25 for a the laser beam substantially corresponding to the diameter of the liquid jet or in the range of 1: 5 to 1:20 for egg nen is significantly reduced compared to the diameter of the liquid jet Laserspot.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Laserquelle und Fokussieroptik ein Singlemode- Lichtwellenleiter oder eine Freistrahloptik zur Bereitstellung von Laserstrahlen hoher Kohärenz und Strahlqualität angeordnet wird.  characterized in that a singlemode optical waveguide or a free-beam optics for providing laser beams of high coherence and beam quality is arranged between the laser source and the focusing optics.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 8. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass für einen gegenüber dem Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls deutlich reduzierten Laserspot eine Justierung des  characterized in that for a comparison with the diameter of the liquid jet significantly reduced laser spot an adjustment of the
Abstands zwischen Düse und Oberfläche vorgenommen wird.  Distance between the nozzle and surface is made.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , 9. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Prozesskontrolle mittels einer Kamera und einer Bildverarbeitungssoftware zur Optimierung des Abstandes zwischen Düse und zu bearbeitender Oberfläche, der Laserleistung und/oder der Fokussieroptik erfolgt .  characterized in that a process control by means of a camera and image processing software for optimizing the distance between the nozzle and surface to be machined, the laser power and / or the focusing optics takes place.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , 10. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera unter einer transparenten Scheibe, die auf gleicher Höhe und neben der zu bearbeitenden Oberfläche angeordnet ist, so dass zwischen den Bearbeitungsschritten bei der Entfernung der zu bearbeitenden Oberfläche die Kamera und die transparente Scheibe unter die Düse gefahren werden. characterized in that the camera under a transparent disc, which is arranged at the same height and adjacent to the surface to be machined, so that between the processing steps in the removal of the surface to be machined, the camera and the transparent disc are driven under the nozzle.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , 11. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera neben der Düse angeordnet ist und auf den Laserspot auf der zu bearbeitenden Oberfläche gerichtet ist .  characterized in that the camera is arranged adjacent to the nozzle and is directed to the laser spot on the surface to be processed.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che , 12. The method according to any preceding Ansprü ¬ che,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung der Oberfläche eine Dotierung, eine Mikrostrukturie- rung und/oder eine Metallisierung ist und der Flüssigkeitsstrahl mindestens eine Komponente zur Bearbeitung der Oberfläche aus der Gruppe Dotierstoffe, Ätzmittel, Metallverbindungen und Kombinationen hiervon enthält.  characterized in that the processing of the surface is a doping, a Mikrostrukturie- tion and / or a metallization and the liquid jet contains at least one component for processing the surface of the group dopants, etchant, metal compounds and combinations thereof.
13. Vorrichtung zur Bearbeitung von Oberflächen enthaltend eine Düseneinheit mit einer 13. Apparatus for processing surfaces comprising a nozzle unit with a
Fokussieroptik zum Einkoppeln eines Laserstrahls, eine Laserstrahlquelle, eine Flüssigkeitszufuhr und eine auf eine Oberfläche des Festkörpers gerichtete Düsenöffnung,  Focusing optics for coupling a laser beam, a laser beam source, a liquid supply and a directed onto a surface of the solid nozzle opening,
dadurch gekennzeichnet, dass vor der Fokussieroptik ein optisches Element angeordnet wird, das eine Reduzierung der Kohärenz des Laserstrahls bewirkt .  characterized in that in front of the focusing optics, an optical element is arranged, which causes a reduction in the coherence of the laser beam.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13 , 14. Device according to claim 13,
dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine optische Element ein Element mit definierter Oberflächenrauhigkeit zur Lichtstreuung, ein Glasfaserbündel mit unterschiedlichen Längen der Glasfasern, eine Anordnung von semitransparenten Spiegeln für Mehrfachreflexionen, eine auf das Laserstrahlprofil angepasste Strahlformungsop- tik, ein rotierender Diffusor oder eine Kombinationen von diesen ist. characterized in that the at least one optical element is an element having a defined surface roughness for light scattering, a glass fiber bundle having different lengths of the glass fibers, an arrangement of semitransparent ones Mirrors for multiple reflections, a beam shaping optics adapted to the laser beam profile, a rotating diffuser or a combination of these.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zusätzliche eine Vorrichtung zur Prozesskontrolle aufweist . 15. Device according to one of claims 13 or 14, characterized in that the device additionally comprises a device for process control.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Prozesskontrolle mindestens eine Kamera und mindestens eine Bildverarbeitungssoftware zur Optimierung des Abstandes zwischen Düse und zu bearbeitender Oberfläche, der Laserleistung und/oder der Fokussieroptik aufweist. 16. Device according to one of claims 13 to 15, characterized in that the device for process control comprises at least one camera and at least one image processing software for optimizing the distance between the nozzle and the surface to be machined, the laser power and / or the focusing optics.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera neben der Düse angeordnet ist und auf den Laserspot auf der zu bearbeitenden Oberfläche gerichtet ist . 17. The device according to one of claims 13 to 16, characterized in that the camera is arranged adjacent to the nozzle and is directed to the laser spot on the surface to be processed.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera unterhalb einer transparenten Scheibe angeordnet ist, die transparente Scheibe neben und auf gleicher Höhe mit der zu bearbeitenden Oberfläche angeordnet ist, so dass zwischen den Bearbeitungsschritten bei der Entfernung der zu bearbeitenden Oberfläche die Kamera und die transparente Scheibe unter die Düse gefahren werden kann. 18. Device according to one of claims 13 to 17, characterized in that the camera is arranged below a transparent disc, the transparent disc is arranged next to and at the same height with the surface to be processed, so that between the processing steps in the removal of processing surface, the camera and the transparent disc can be moved under the nozzle.
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