WO2013186179A2 - Vorrichtung und verfahren zur interferenzstrukturierung von proben sowie dergestalt strukturierte proben - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur interferenzstrukturierung von proben sowie dergestalt strukturierte proben Download PDF

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Teja Roch
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    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/355—Texturing

Definitions

  • the present invention relates to the structuring of preferably flat samples with laser systems.
  • diffractive optical elements gratings
  • T. Kondo et al. "Femtosecond laser interference technique with diffractive beam splitter for fabrication of three-dimensional photonic crystals", Applied Physics Letters 79 (2001), 725-727.
  • the laser radiation is homogenized with the aid of an iris diaphragm and guided onto the diffractive optical element and the partial beams resulting from diffraction are imaged onto the sample P with the aid of a lens system for interference structuring.
  • the object of the present invention is therefore, starting from the prior art, devices and methods for laser interference structuring of samples as well as interference-structured samples (hereinafter alternatively also referred to as
  • the object of the present invention is the application of large-area geometric structures (that is to say structures of virtually any shape), these structures also being able to be applied, in particular, to polished metal surfaces.
  • the basic idea of the solution according to the invention is based on introducing different optical elements, in particular cylindrical lenses, beam splitters and mirrors, but also further lenses, polarizers, etc. into the laser radiation of a preferably pulsed laser in order to focus the laser radiation in a first spatial direction and to separate the beams and preferably also allows a very large beam expansion (up to about 20 to 60 cm) in a second spatial direction.
  • Different combinations of the individual optical elements allow the desired deformation, separation and alignment of the laser beam.
  • cylinder lenses are advantageously in the structure of the invention for
  • Beam expansion and / or used for focusing Beam expansion and / or used for focusing.
  • this arrangement can consist of one or else of several individual optical elements (mirrors, lenses, beam splitters, etc.).
  • the individual optical elements themselves may in turn consist of several parts, that is, they may be designed in several parts.
  • the energy density of the laser radiation present in the interference maxima at the location of the sample must be suitably selected, for example between 0.1 and 10 J / cm 2 . This can be achieved by a suitable choice of the laser and the optical arrangements of the device (in particular: achieving the smallest possible focus size in the direction of the first spatial direction with the greatest possible extension of the beam in the second spatial direction).
  • the individual optical elements of the device according to the invention (in particular: the cylindrical lens (s), beam splitters, reflection elements,...) Can be displaceable relative to one another and / or rotatable, so that the parameters (in particular: the period) of the interference structures depending on the properties of the laser used and / or the sample to be structured can be variably adjusted.
  • the laser radiation is focused in a first spatial direction into a sample volume in which the sample can be positioned or positioned, can be imaged.
  • the laser radiation in a second spatial direction with two radiation beams can be directed to the sample volume such that the two
  • the projection mask used according to the invention is preferably introduced into the beam path of the laser in such a way that parts of the laser radiation (or one of the two radiation beams or both radiation beams) are absorbed and other parts of the laser radiation (or of the radiation beam) transmitted through the mask become.
  • the projection mask (s) for this purpose can consist of a material which completely (or at least partially) absorbs the laser radiation, in which case the surface is perpendicular to the surface
  • Laser beam longitudinal axis seen sections of this material, for example, to formation of a geometric structure to be imaged have been removed. Seen in said plane perpendicular to the laser beam longitudinal axis thus parts of the laser radiation are absorbed, whereas (in the dissolved out of the mask areas) parts of the laser radiation uninfluenced to be transmitted through the mask.
  • the device is designed such that more than two, preferably three, four or five, radiation beams can be directed onto the sample volume (which can be generated, for example, by means of the separation arrangement from the laser beam of a laser ) that the more than two beams within the sample volume in the interference area interfere.
  • the starting points of the beams do not have to lie in a spatial plane.
  • the beams can z. B. invade the interference area in a star shape and intervene there.
  • the focusing arrangement and the separating arrangement can also be positioned in the beam path of several lasers.
  • the focusing arrangement and the separating arrangement as well as the plurality of lasers are then designed and positioned such that a focused imaging of the laser radiation of the plurality of lasers in the first spatial direction into the sample volume and that generated by the separation arrangement of the plurality of laser beams (the plurality of lasers) Variety of beam within the sample volume in the interference area interferes.
  • the sample or the surface of the same lines (sections), holes, ... can be structured as interference structures. Multiple irradiation of the same sample or surface of the same is also possible (eg with rotation of the sample between two irradiation passes) (multiple structuring of the sample). In this way, the sample or the surface thereof can be almost arbitrary
  • Structure forms and variants are structured.
  • the severing arrangement comprises a widening and severing arrangement (or is designed as such), with which the laser radiation while maintaining the focused image in the Sample volume in the first spatial direction in the second spatial direction expanded, can be separated into the two beams and in the form of these two beams on the sample volume can be directed so that the two beams within the sample volume in the interference range interfere.
  • the severing arrangement may comprise a prism (in particular a biprism) arranged in the beam path of the laser. This prism is arranged and designed so that with it the laser radiation in the two
  • Beam bundle can be separated and can be directed to the sample volume that the two beams within the sample volume in the interference region interfere.
  • the focusing arrangement may be one or more
  • the projection mask (s) positioned in the beam path of the laser can preferably be positioned as follows (several of the individual position features described below can also be implemented): ⁇ It can / can be implemented between the separation arrangement on the one hand and the
  • Sample volume and / or the sample on the other hand be positioned.
  • Laser radiation ie along the beam axis and in the beam direction
  • Laser radiation may be seen positioned immediately in front of the sample. It may be orthogonal to the sample normal, orthogonal to the major axis of the laser beam path before separation into the two beams and / or orthogonal to the major axis of one of the beams be positioned both beams (after the separation into these two beams through the separation arrangement).
  • They can be positioned parallel to a surface of the sample which is irradiated with the two interfering radiation bundles and thus to be patterned.
  • the two beams can be formed by the individual optical elements so that they are divergent in the second spatial direction.
  • the divergence angle (hereinafter also denoted by ⁇ ) can preferably be> 5 °, particularly preferably> 10 ° (or else> 15 °). Also, larger divergence angles of e.g. 20 ° or 25 ° are conceivable. However, such a divergence is not necessary, the beams can also (seen in the second spatial direction) parallel beams - see the following embodiment with prism - or possibly even converging beams.
  • the separation arrangement can be positioned in the beam path of the laser and in the beam direction after the focusing arrangement and before the sample volume (and / or the sample).
  • the above-described variants of the invention preferably have a movement unit.
  • This can be a translation table, a turntable, a conveyor belt or even a roll-based transport device (roll-to-roll system).
  • the sample does not have to be flat.
  • Cylindrical or cylindrical samples may also be patterned directly by means of the device according to the invention, e.g. the cylinder axis is positioned parallel to the focused line of the laser radiation, ie parallel to the first spatial direction.
  • the sample (or portions thereof) can be moved relative to the laser beam and / or relative to the two beams after the separation of the laser beam.
  • the projection unit (s) can / can be moved relative to the beam path of the laser (and / or relative to the movement unit) to the two beam bundles beam output side of the separation arrangement) are moved.
  • the movement (s) takes place / preferably takes place parallel to the first spatial direction.
  • the movement thus takes place preferably perpendicular to the separation and / or widening direction (ie to the second spatial direction), that is to say generally in the first spatial direction.
  • the device for interference structuring (for example in a machining head) can be realized compactly, ie with comparatively small external dimensions. If the embodiments described below are realized in this form, then the individual optical elements of the device are fixed in Cartesian during the processing of the sample
  • World coordinate system x, y, z arranged (y is chosen as the first spatial direction, x forms the second spatial direction) and the sample and / or the mask (s) is / are moved relative to this world coordinate system.
  • the sample or portions thereof and at least one, preferably more, of the projection masks may be moved in parallel with each other and at either the same speed of movement or at least partially different speeds of movement by means of the moving unit.
  • both the sample and two projection masks used can be simultaneously moved by the moving unit at the same speed (or at different speeds) in the first spatial direction or opposite.
  • the laser radiation in particular: the two beams resulting after separation
  • the stationary (in the world coordinate system x, y, z) arranged sample and relative to the / fixed (in the world coordinate system x, y, z) arranged projection mask (s) is deflected (preferably is deflected parallel to the first spatial direction).
  • This deflection can be effected, for example, by translatable and / or rotatable reflection elements, beam splitters and / or lenses, for example in a suitable galvanoscanner configuration.
  • the severing arrangement one or more arranged in the beam path of the laser ⁇ ) movable (s), in particular rotatable and / or pivotable (s), Strahlum- steering element (s) ; in particular mirror and / or Spiegelprisma / men include, with / the laser radiation and / or the two beams thereof is deflected / are the same.
  • the focusing arrangement is preferably a beam cross-section-changing focusing arrangement with which the laser radiation can be imaged into the sample volume in a focused manner not only in the first spatial direction but, moreover, can also be changed with respect to its beam cross section.
  • the focusing arrangement can be designed in particular as a telescope for this purpose; Preferably, the change of the beam cross section takes place in the form of a widening thereof (however, it is also possible to narrow the beam cross section). However, the focusing arrangement can also be designed so that it does not change the beam cross section (in the simplest case: use of a single converging lens).
  • the laser beam with the focusing arrangement in two mutually non-parallel, preferably mutually orthogonal spatial directions are cross-sectionally changed (preferably expanded), which then preferably coincide with the first and the second spatial direction, before the focused image is in the first spatial direction.
  • the separation arrangement can have one or more cylindrical lenses with which an expansion of the laser radiation (or of the two radiation beams) in the second spatial direction can be effected.
  • the separation arrangement can also have a beam splitter (eg semitransparent mirror) in order to effect a separation of the laser radiation into the two radiation beams in the second spatial direction.
  • one or more reflective elements eg, planar mirrors
  • the laser can emit in the ultraviolet, visible or infrared.
  • an Nd: YAG laser with a wavelength of 355 nm can be used.
  • the energy of the laser can be between 1 nJ and 50 J per laser pulse.
  • the pulse repetition rate of the pulsed laser can be> 1 Hz and / or
  • the pulse repetition rate is between 1 KHz and 50 KHz.
  • Preferred pulse widths are between 1 femtosecond and 100 milliseconds.
  • the pulse duration can be between 0.01 and 1000 ⁇ , preferably between 6 ⁇ 5 and 100 ⁇ 5.
  • the present invention thus describes the structure of a device or an optical system (and an irradiation method carried out in accordance with this system) for generating one- or two-dimensional interference patterns for the direct structuring of different sample materials and sample materials (substrates) which structures accordingly are.
  • An interference-structured sample substrate in particular a metal, ceramic or plastic substrate, is produced according to the invention by irradiation of the sample substrate in a device according to the invention according to the associated method described below in the exemplary embodiments.
  • the period of the interference structure introduced into the sample substrate may be constant or approximately constant in the direction of the second spatial direction.
  • This introduced interference structure can be relative to the perpendicular to that through the first
  • the present invention enables a simple and rapid structuring of substrates, such as metal surfaces (by local remelting, ie partial evaporation of the surface), for example also in a roll-to-roll Configuration.
  • substrates such as metal surfaces
  • the device can also be designed for the flexible use of different laser systems or the same
  • the shape of the laser beam and / or the interference angle (hereinafter also referred to as the angle of incidence and ⁇ ) of the two partial beams are set variably, so that, depending on the surface to be machined, the necessary energy for structuring can be variably selected.
  • a very large extent of the irradiated radiation in a projection direction can be achieved.
  • a high laser energy per area can be obtained, at the same time the structuring of large substrates can be carried out using only one direction of movement.
  • a first widening step in a beam cross-sectional widening focusing arrangement, in particular in a corresponding telescope
  • a high degree of flexibility for different laser systems can be achieved with the present invention, ie the device according to the invention is used on the one used Laser can be adjusted before then in a second expansion step (with the widening and Aufnungsan extract) a very large expansion of the laser beam in the second spatial direction can be achieved.
  • the present invention also has the particular advantage that for the
  • the invention Due to a homogenization of the laser beam because of the strong focusing in one direction (first spatial direction), in conjunction with the projection mask (s) used, a high aesthetic of the structured components is possible according to the invention, so that the use of the invention is also possible is possible for structuring decorative elements.
  • the invention makes it possible to structure a wide variety of metal Surfaces. In particular, large substrates with relatively little effort and can be structured quickly, with an integration of the device according to the invention in the in-line operation is readily possible. Since the extent of the laser beam in the second spatial direction can be very large, compact optical working heads can be developed, which are fixed on processing stations.
  • the two (or the more than two) interfering beams are divergent, forms according to the invention a non-conventional periodic interference pattern whose period is constant or at least approximately constant over the structured area, but a local (seen in the direction of the second spatial direction) tilting as a function of the local value of the bisecting line between the interfering laser beams (see also parallel to the second spatial direction and with respect to the intersection of the central rays of the two (or more than two) bundles with each other (or the vertical projection of this intersection point on the sample surface ) towards the outside increasing tilting of the sinusoidal structure in the bottom line of Figure 3 and Figs. 7 and 8).
  • Fig. 1 A first device according to the invention.
  • Fig. 2 A second device according to the invention.
  • FIG. 3 shows an example of imaging structures achievable with the devices from FIGS. 1 and 2.
  • 4 shows basic imaging features of inventive structures according to FIGS. 1 or 2.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of structures according to the invention with only one projection mask.
  • Fig. 6 An embodiment of structures according to the invention with two projection masks.
  • FIG 7 shows an example of the geometric relationships in an interference (deep) structure introduced according to the invention with divergent radiation beams LI, L2.
  • the devices (without sample and mask (s)) are in each case arranged stationarily in the Cartesian world coordinate system x, y, z, the y direction being the first spatial direction in which the laser beam L is focused in the sample volume 3.
  • the movements of the sample P and the mask (s) 6 take place respectively in the first spatial direction y or in the opposite direction, ie in the direction opposite to or in the direction in which the focusing takes place.
  • the x-direction is the direction in which the laser beam is expanded in the severing arrangement 4 or in the widening and severing arrangement 7.
  • the sample P is arranged parallel to the xy plane.
  • FIG. 1 shows in three lines from top to bottom the arrangement of the individual elements of the device according to the invention and the flat sample P in a plane perpendicular to the first spatial direction y (first line) and in a plane parallel to the first spatial direction y (second line) and the beam cross section or the beam shape of the laser beam at different positions along the main optical axis of the beam (z-direction) in the third row.
  • the optical main axis z is aligned perpendicular to the surface of the sample P.
  • the laser radiation L of a Q-switched, diode-pumped laser 1 (5 kHz, power 5W, pulse duration 30 ns) is first homogenized with a square diaphragm 14 (side opening of the diaphragm aperture: 5 mm) (truncation of the declining laser) Marginal flanks of the essentially Gaussian beam profile) and on a telescope 10 arranged in the beam path after the diaphragm 14 as a beam cross-sectional focusing arrangement 2 (to be more precise, this also belongs to the
  • the telescope 10 comprises in the beam path L first a concave diverging lens 15 and then a convex converging lens 16.
  • the ratio of the side lengths of the square beam on the beam output side of the telescope 10 on the one hand and on the beam input side of the telescope 10 on the other hand set variable, the beam expansion in the two directions x and y perpendicular to the irradiation z thus variably set.
  • the telescope 10 or the focal length of the output-side converging lens 16 of the telescope is designed so that the expanded beam L beam output side of the telescope through this (at
  • Place of focus can be arranged.
  • a convex cylindrical lens 11 In the beam path behind the telescope 10 is a convex cylindrical lens 11 with its focusing axis along the first spatial direction y, so arranged that the already focused in the two directions x and y laser beam L is focused again in the second spatial direction x (where by this alignment of the longitudinal axis of the cylindrical lens 11, the focusing in the first spatial direction y is maintained).
  • the focal length fn of the cylindrical lens 11 is chosen so that for both partial beams or beams (see below LI and L2), the ratio of the optical path length of the cylindrical lens 11 to be processed sample surface of the sample P on the one hand and the focal length f u on the other hand, is significantly greater than 2, here is about 12.
  • a semitransparent mirror 12 (beam splitter) is arranged in the beam path behind the cylindrical lens, with which the beam path L of the laser is split into two partial beams LI and L2.
  • the cylindrical lens 11 thus forms the laser beam L onto the semitransparent mirror 12 in such a way that the focal point of the cylindrical lens lies in the beam direction in front of the semitransparent mirror 12.
  • the transmitted partial beam path LI of the semitransparent mirror 12 is reflected at a first plane mirror 13a, falls on a second plane mirror 13b and is radiated from there into the sample volume 3, in which the sample P to be processed is arranged.
  • the half-transparent mirror 12 reflected partial beam L2 falls on a third plane mirror 13c and is from there into the sample volume 3 or on the surface to be processed
  • Probe P steered.
  • the semitransparent mirror 12 (beam splitter) and the three plane mirrors 13a to 13c are positioned and aligned in the spatial space x, y, z so that the two partial beams LI and L2 at an angle ⁇ > 0 ° (here eg 30 °) and interfering through the mask 6 (see below) are irradiated to the surface to be processed OP of the sample P.
  • ⁇ > 0 ° here eg 30 °
  • Cutting plane between the interference region 5 and the sample P is thus a structuring of the sample surface OP.
  • the two partial beam paths LI and L2 are here - with respect to the respective central beams - from the mirror 12 to the surface OP of the sample P the same length (but this need not be the case).
  • the severing arrangement 4 designed here as a widening and severing arrangement 7 thus comprises the cylindrical lens 11, the semitransparent mirror 12 and the reflection elements 13a to 13c.
  • the structure is identical to the structure shown in FIG. 1 except that the ratio of the focal length fn of the cylindrical lens to the optical path length from the cylindrical lens 11 to the semitransparent mirror 12 is greater than one , In this case, the focusing of the laser radiation finally leading to further expansion in the second spatial direction x thus takes place in such a way that the focus of the cylindrical lens 11 lies behind the semitransparent mirror 12 in the beam path.
  • the construction is identical to the construction shown in FIG. 1, with the exception that the cylindrical lens does not focus but defocusing in a spatial direction parallel to the x-direction, ie is concave in a spatial direction ,
  • a concave cylindrical lens can also be arranged after the semitransparent mirror 12 in the beam path LI and L2, which acts defocusingly in a spatial direction parallel to the x direction.
  • the latter is basically the same as the embodiment shown in FIG. 1, so that only the differences are described here.
  • the square aperture 14 is omitted, so that the laser beam L of the laser 1 is not pruned to the telescope 10 is shown.
  • the beam diameter with the aid of the telescope is adjustable.
  • the advantage of this device is the avoidance of intensity losses by the trimming of the beam through the aperture 14.
  • the arrangement shown in Figure 1 has the advantage that the intensity over the entire beam cross-section after the aperture is practically constant, so that after the optical Figure 10, 11, 12 and 13a to 13c over the entire extent of the interference region 5 in the sample volume in the x-direction results in a practically constant intensity. All regions of the sample P which are structured by the interference are thus structured in an identical manner (for example, a lower penetration depth of the structures towards the edge of the interference region 5 as compared to the middle thereof is avoided).
  • the reflection element 13 is on the radiation exit side and between the latter and the sample P or the sample volume 3 in FIG. 1
  • a projection mask 6 is arranged.
  • the main plane of the projection mask 6 is thus parallel to the xy plane, ie the mask 6 is arranged perpendicular to the main beam direction z.
  • the projection mask 6 is centered on the central beam of the laser radiation L prior to its separation or on the two beams LI and L2 (however, this need not be the case).
  • the projection mask 6 is made of a laser-beam-impermeable material (eg a metal or ceramic body) and provided with recesses for forming a geometric structure to be imaged on the sample surface OP by means of the interfering laser beam LI and L2 (see also FIG the example in FIG. 6).
  • the recesses are formed as apertures that are completely removed from the mask body, so that the laser radiation in the areas of the recesses is transmitted completely, ie unattenuated, through the projection mask 6 in the areas of the recesses and is not emitted out of the mask body. taken areas (which form the supporting structure of the mask 6) is completely absorbed by the mask 6.
  • the mask 6 is arranged directly in front of the surface OP of the sample P to be patterned in the smallest possible distance d3 (from OP) in the z direction from here, for example, 1 to 2 mm.
  • the angle ⁇ refers here (as in the other embodiments), to the main beam axis in the respective partial beam LI, L2.
  • the mask 6 is advantageously positioned as close to the sample P as possible in order to avoid diffraction effects (and accordingly defects on the interference structure to be applied to the sample surface OP of the sample P - which will also be referred to hereinafter as an image or hologram).
  • the mask 6 can also be applied directly to the sample or substrate P (e.g., coated) (e.g., by PVD or CVD). In this case, the mask 6 and the sample P are then forcibly moved at the same speed v (see also examples below).
  • the thickness or expansion of the mask 6 in the z-direction should be as low as possible to avoid undesirable diffraction effects (e.g., mask thickness between 0.1 and 2 mm).
  • the angle ⁇ denotes the divergence angle of the two partial beams LI and L2, which is about 5 degrees here. See also the following figures 4 and 5.
  • the angle ⁇ is measured starting from the central beam of the respective beam LI or L2.
  • FIG. 2 shows a further device according to the invention, which is arranged stationarily in the world coordinate system (Cartesian coordinate system (x, y, z)).
  • the laser 1 used is a fiber laser system with a pulse duration in the range between 1 femtosecond and 1000 microseconds, with a wavelength in the range between 150 nm and 13000 nm and with a pulse repetition rate in the range between 1 Hz and 200 MHz. This is preferably a fiber laser system with 20 ns pulse duration, a wavelength of 1064 nm, and a repetition rate of 5 KHz.
  • a collimator 20 for generating a parallel laser beam having a diameter of 7 mm (double half width) is first arranged.
  • a concave lens 21 eg with a focal length of -150 mm
  • a convex lens 22 eg with a focal length of 200 mm
  • the average beam diameter is 14 mm (of the still parallel beam L).
  • collimator 20 and beam expander 21, 22 can also (not shown here) be arranged a square aperture with which the round after the collimator 20 beam cross section is converted into a square beam cross-section.
  • the parallel widened beam L of the laser radiation is directed after the beam expander 21, 22 on a cylindrical lens 23, the cylinder axis is arranged in the x direction.
  • the optical elements 20, 21, 22 and 23 form the focusing arrangement 2 designed as a radiation cross-sectional focusing arrangement 10.
  • the focal length of the cylindrical lens 23 is chosen to coincide with the distance of the cylindrical lens from the sample volume 3 and from the sample P (viewed along the optical axis and the z-axis of the structure, respectively).
  • the laser radiation L is thus, as seen in the y direction, focused precisely on the surface OP of the sample P to be processed.
  • a biprism 8 (which here forms the splitting arrangement 4 which does not extend the beam cross-section) is arranged such that the surface opposite its obtuse angle is perpendicular to the optical axis of the
  • the obtuse angle here is 170 °.
  • the two surfaces spanning the obtuse angles are perpendicular to the x-z plane.
  • the biprism 8 is, by suitable choice of the obtuse angle, designed and arranged so that the incident laser beam L is divided by the biprism into two beams LI and L2, seen in the direction of the second spatial direction x - at the angle ⁇ be superimposed.
  • the interference area 5 this overlapping area shown hatched here is therefore also referred to below as the interference area 5).
  • a planar sample P (here a thin metal plate) is placed perpendicular to the optical axis of the device shown within the sample volume 3.
  • the area in which interference of the two partial beams LI and L2 occurs can thus be understood as part of the sample volume 3 in which the sample P is arranged.
  • a local energy density at the sample surface OP can be generated in the intensity maxima of the interference, which is sufficient to locally evaporate material P and thus, according to the intensity pattern, to introduce a deep structure in the disk surface P.
  • a period 1, see FIG. 3 of the interference structures burned into the sample surface P, the result in the present case is ⁇
  • the expansion of the interference structure in the direction of the first spatial direction y resulting from the focusing with the element 23 is here 50 ⁇ m, which is defined by the average beam width b (width after the beam widening 21, 22) in the x direction and the obtuse angle ⁇ of the biprism 8 conditional expansion of the interference structure in the direction of the second spatial direction x is 7 mm here.
  • the parameters b, ⁇ , ⁇ and calorific values of the cylindrical lens 23 as well as the distances of the optical elements used in the beam path are set so that the maximum extension of the interference region 5 in the x-direction occurs exactly in the focus of the lens 23.
  • the extent of the interference structure structuring the sample surface OP in the y-direction can be readily in the range of a few micrometers to a few millimeters and in the x-direction readily in the range vary from a few millimeters to a few centimeters.
  • a movement unit 9 is furthermore provided, which in the embodiment shown is designed as an xy displacement table (on which the sample P is fixed and whose table surface is arranged parallel to the xy plane).
  • This table is available in sample volume 3 and in the interference area 5 arranged.
  • the pulse duration of a laser pulse and the pulse repetition rate of the laser pulses a wide variety - or two-dimensional interference or hologram structures in the surface OP of the sample P bring. What is essential is always that, due to the focusing 23 in the y-direction, the energy density in the maxima of the interference pattern 5 is sufficiently high to locally remelt or partially vaporize the material of the sample P.
  • a projection mask 6 is arranged between the biprism 8 on the one hand and the sample P on the other hand parallel to the main plane (xy plane) of the sample P or its surface OP.
  • This mask 6 in the form of a flat, thin disk) lies with its main plane parallel to the surface OP, ie likewise in or parallel to the xy plane. Again, the position of the mask 6 is close to the sample P in order to avoid diffraction effects (and consequent manufacturing errors in the interference structure introduced into the surface OP or in the hologram).
  • Direction between the mask 6 and the sample surface OP is here between 1 and 2 mm.
  • FIG. 3 shows an example of holograms or interference structures which can be applied to the surface OP to be processed by means of a pulsed laser in accordance with the invention using the apparatus of FIG. 1 or 2.
  • the period 1 ie the period in the second spatial direction x, which is also denoted by a
  • the spacing of adjacent lines of the interference structure depends only on the wavelength ⁇ of the laser light L and on the interference angle ⁇ between the two irradiated on the sample surface OP partial beams or beams LI and L2 from.
  • Spatial direction y in the range between one micrometer and several millimeters (compare “period 1" in FIG. 3), machining expansions in the second spatial direction x from one millimeter or a few millimeters up to 40 cm or more (possibly up to 100 cm) are possible, compare "distance d5" in FIG. 3.
  • any point- or line-shaped interference structures or hologram structures can be produced.
  • Combination with the geometric structure of the mask (s) 6 or the shape and the position of their recesses (see also FIG. 6) can be used to generate image structures of virtually any shape on OP from the interference structures shown in FIG.
  • image structures of virtually any shape on OP from the interference structures shown in FIG.
  • almost arbitrary macroscopic shapes can be seen e.g. in the form of letters or image structures (symbols, lettering or the like) in or on the surface OP generate.
  • FIG. 3 shows, colored interference structures or holograms on polished metal surfaces OP can thus be introduced over the entire area by local remelting (partial evaporation) of the surface OP.
  • divergent ⁇ radiation beams LI and L2 are used as shown in FIG the interference pattern over the distance d5 (the periods 1 and 2 remain the same, however, compare also the sinusoidal structure in the bottom line of the figure).
  • FIG. 4 a shows that a mask 6 with a mask opening or aperture can also be positioned asymmetrically with respect to the beam axis of the laser beam L (or one of the radiation beams or both of the radiation beams L 1, L 2).
  • Dl is the extent of the mask opening in the xy plane
  • d2 is the projection of the mask opening onto the surface OP by the laser radiation (at a distance d3 from the mask 6)
  • d3 is the distance between mask 6 and sample surface OP
  • d4 is the path in the beam path from the imaginary point in the space from which the divergent beams LI and L2 originate, to the position of the mask 6 (seen along the main beam)
  • d5 the expansion of the laser beam corresponding to the divergence angle ⁇ at the level of the surface OP in the xy plane.
  • the angle ⁇ is the angle which results according to the projection of the edge of the recess in the mask 6 on the surface OP.
  • Figure 4b shows a corresponding case in which the recess or the mask opening is arranged symmetrically to the main beam axis.
  • the image size d2 of the mask 6 is a function of the divergence angle ⁇ and the distances d3, d4.
  • FIG. 5 shows an example of the use of exactly one mask in the beam path of the two partial beams LI and L2 of the device shown in FIG. 1 (a corresponding positioning of exactly one mask 6 in the one shown in FIG. 5
  • d6 is the distance perpendicular to the main beam direction z (ie in the xy plane) of the two fictitious divergence points (points in the space from which the divergent beams LI, L2 emanate) of the two beams LI, L2.
  • FIG. 5 outlines the shading on the sample surface OP, ie the projection of the edges of a recess in a mask 6 on this surface OP as a function of the distance d3 between mask 6 and surface OP and the distance d4 of the divergence points from the mask 6.
  • the relationship shown in Figure 5 applies to the interference angle ⁇ .
  • This interference angle ⁇ (x) is thus dependent on the x-position of the projection of the intersection point of the local partial beams in the two beamlets LI, L2 on the sample surface OP.
  • FIG. 6a FIG. 6a: top view of the xz plane
  • FIG. 6b top view of the xy plane
  • FIG. 6a shows, in the context of the exemplary embodiments shown in FIGS. 1 and 2, the device according to the invention (here using the example of FIGS. 1 and 2, the device according to the invention (here using the example of FIGS. 1 and 2, the device according to the invention (here using the example of FIGS. 1 and 2, the device according to the invention (here using the example of FIGS.
  • multiple masks 6a, 6b are used.
  • exactly one mask 6a, 6b is positioned at a distance from the surface OP and between the severing arrangement 4 (not shown here) and the sample P in each of the two radiation beams LI, L2.
  • the two masks 6a, 6b are each positioned orthogonal to and centered on the central beam axis of the respective beam LI, L2 (as well as substantially parallel to the surface OP).
  • the laser radiation L is or the two beams LI, L2 are fixed in the case shown (by stationary positioning of the laser 1, the focusing device 2 and the separation assembly 4) in the world coordinate system x, y, z positioned (the laser light field is thus stationary in space) ,
  • the two masks 6a, 6b can be directed on the one hand (with their corresponding speed vi) and the sample P on the other hand (with their speed v2, vi and v2 are respectively directed in the y-direction ) are also traversed with different travel speeds.
  • different geometries of the mask image on the sample surface OP can thus be generated (by the distortion of the geometric structure of the masks 6a, 6b along the y direction, which varies depending on the speed ratio).
  • one of the two masks (eg, the mask 6 b) can also be omitted, so that only in the beam path, this makes possible a simpler adjustment and device setup
  • LI is a single mask 6a.
  • the imaging geometry of the hologram structure generated on the surface OP can be controlled almost arbitrarily by the speed vi of the mask relative to the velocity v2 of the sample (measured in the y direction in each case).
  • a laser beam irradiates the sample over the entire surface (ie not shaded), while the other beam is hidden locally. Interference occurs only at positions where both laser beams are not hidden.
  • a simplified adjustment also results from the fact that instead of the two
  • the single mask 6 is then arranged in parallel in front of the substrate P.
  • the speed of the mask on the one hand and the speed of the sample on the other hand both in the y direction can be used to control the imaging geometries.
  • the mask may consist, for example, of a metal material, of a ceramic material or of a polymer material.
  • a metal material for the formation of the imaging structure in the mask corresponding part can be extracted from this basic material (opening structures in the mask plane or the xy plane).
  • the mask can also be produced by metal, ceramic or polymer (eg in layer form) on a transparent carrier (transparent to the laser wavelength, for example quartz glass).
  • Layered materials can also be applied directly to the sample to form the mask.
  • the mask shape (or the detached image structures) can be almost arbitrary, symbols, logos or even barcodes can be produced.
  • the periods 1 and 2 and / or the orientation (tilting) of the periodic structures on the surface OP can be (viewing the surface OP under different viewing and / or illumination angles) bring the interference structures so that depending on viewing and / or illumination angle a different color impression of the introduced hologram (interference structure) is formed. It is possible that there is no contrast difference to the polished metal.
  • the periodic structure (period 1 and / or 2) should be orthogonal to the plane which is spanned by the viewing direction (observer) and the irradiation direction of the light.
  • interference structures or holograms in the form of authentication features on objects can be introduced.
  • objects example: metal shell of a mobile phone, blade of a knife or clock face of a clock
  • Directed light can produce colored surface impressions (also by variation or by a suitable choice of periods 1 and 2).
  • surface areas OP can be generated with different color impressions.
  • the masks 6, 6a, 6b used can have different structural spacings of the introduced structures. As the two figures 7 and 8 show, the period (meaning here is the
  • Period 1 ie the size shown in Figure 3 a
  • the interference structure in the direction of the second spatial direction x seen constant or at least almost constant.
  • the interference structure has an increasing tilt V towards the edges (that is to say viewed outwards).
  • Tilt angle ⁇ ⁇ is the angle between the normal S xy on the sample surface OP or on the xy plane on the one hand and the local longitudinal direction of the interference pattern form on the other.
  • a polymer layer e.g. Polyimide (it could alternatively also be an oxide layer) with a laser of wavelength 355 nm structured by means of an interference structure as described in claim 1.
  • a photoresist was e.g. SU-8 (which is a negative photoresist) is exposed to a 355 nm wavelength laser by means of an interference setup as described in claim 1. Subsequently, the resist was developed so that unexposed layer portions (at the interference minima) were washed out.
  • SU-8 which is a negative photoresist
  • a photoresist e.g. AZ-1505 (which is a positive photoresist) is exposed to a 355 nm wavelength laser by means of an interference setup as described in claim 1. Subsequently, the resist was developed, so that exposed layer portions (at the interference maxima) were washed out.
  • AZ-1505 which is a positive photoresist

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Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung (sowie ein Verfahren und eine entsprechende Probenstruktur) zur Interferenzstrukturierung einer bevorzugt flächigen Probe mit einem Laser, einer im Strahlengang des Lasers positionierten Fokussieranordnung, mit der die Laserstrahlung in einer ersten Raumrichtung fokussiert in ein Probenvolumen, in dem die Probe positionierbar ist oder positioniert ist, abbildbar ist, einer im Strahlengang des Lasers angeordneten Auftrennanordnung, mit der die Laserstrahlung in einer zweiten, zur ersten Raumrichtung nicht parallelen, bevorzugt zur ersten Raumrichtung orthogonalen Raumrichtung mit zwei Strahlenbündeln so auf das Probenvolumen richtbar ist, dass die beiden Strahlenbündel innerhalb des Probenvolumens in einem Interferenzbereich interferieren, und mindestens einer im Strahlengang des Lasers positionierten Projektionsmaske.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Interferenzstrukturierung von Proben sowie dergestalt strukturierte Proben
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Strukturierung von bevorzugt flächigen Proben mit Lasersystemen.
Aus dem Stand der Technik sind zum einen Vorrichtungen und Verfahren zur Interferenzstrukturierung bekannt, die auf Basis von Prismen arbeiten: R. Sidharthan et al. „Periodic Patterning Using Multi-Facet Prism-Based Laser Interference Lithography", Laser Physics 19, 2009, S. 505 bis 510 sowie N. Rizvi et al.„Production of Submicrometer Period Bragg Grätings in Optical Fibers Using Wavefront Division With a Bi-Prism and an Excemer Laser Source", Appl. Phys. Lett. 67 (6), 7, 739. Die auftreffende Laserstrahlung L des Lasers wird mit Hilfe eines Biprismas in zwei Teilstrahlen, die auf dem Substrat P überlagert werden, aufgeteilt. Zum anderen ist aus dem Stand der Technik der Einsatz von diffraktiven optischen Elementen (Gittern) bekannt, um eine Interferenzstrukturierung von Proben zu bewirken. Siehe beispielsweise T. Kondo et al.„Femtosecond laser interference technique with diffractive beam Splitter for fabrication of three- dimensional photonic crystals", Applied Physics Letters 79 (2001), 725-727.
Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Iris-Blende homogenisiert und auf das diffraktive optische Element geführt und die durch Diffraktion entstehenden Teilstrahlen werden mit Hilfe eines Linsensystems zur Interferenzstrukturierung auf die Probe P abgebildet.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren haben insbesondere den Nachteil, dass die pro Zeiteinheit strukturierbare Fläche sehr begrenzt ist. Zudem benötigen diese Vorrichtungen eine vergleichsweise große Baulänge und insbesondere die prismenbasierten Vorrichtungen weisen lediglich eine geringe Variabilität hinsichtlich der Einstellmöglichkeiten der
Interferenzstrukturen auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik Vorrichtungen und Verfahren zur Laserinterferenzstrukturierung von Proben sowie interferenzstrukturierte Proben (nachfolgend alternativ auch als
Probensubstrate bezeichnet) zur Verfügung zu stellen, mit denen auch große flächige Proben einfach, zuverlässig und mit einer erhöhten Bearbeitungsgeschwindigkeit strukturiert werden können. Aufgabe ist es darüberhinaus, Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, die die Interferenzstruktu- rierung auf kompaktem Raum und mit hoher Variabilität beim Einstellen der
Interferenzstrukturen (z.B. Einstellen deren Periode) realisieren. Schließlich ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung das Aufbringen großflächiger geometrischer Strukturen (also Strukturen nahezu beliebiger Form), wobei diese Strukturen insbesondere auch auf polierten Metalloberflächen aufbringbar sein sollen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 13 sowie durch ein interferenzstrukturiertes Probensubstrat gemäß Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsvarianten lassen sich jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen. Erfindungsgemäße Verwendungen sind in Anspruch 16 beschrieben. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. Die in den einzelnen Ausführungsbeispielen in Kombination miteinander verwirklichten Merkmale bzw. Abfolgen optischer Bauelemente müssen im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht in genau den in den Ausführungsbeispielen auftretenden Kombinationen bzw. Abfolgen verwirklicht sein, sondern können auch auf andere Art und Weise realisiert werden. Insbesondere können einzelne der in den Ausführungsbeispielen gezeigten optischen Bauelemente auch weggelassen wer- den oder mit den anderen optischen Bauelementen desselben oder eines anderen Ausführungsbeispiels auch auf andere Art und Weise kombiniert werden. Zudem kann jedes einzelne der in den Ausführungsbeispielen gezeigten Merkmale bereits für sich eine Verbesserung des Standes der Technik darstellen.
Die Grundidee der erfindungsgemäßen Lösung basiert darauf, unterschiedliche optische Elemente, insbesondere Zylinderlinsen, Strahlteiler und Spiegel, jedoch auch weitere Linsen, Polarisatoren usw. in die Laserstrahlung eines vorzugsweise gepulsten Lasers einzubringen, um eine Fokussierung der Laser- Strahlung in einer ersten Raumrichtung und eine Strahlauftrennung und bevorzugt auch eine sehr große Strahlaufweitung (bis etwa 20 bis 60 cm) in einer zweiten Raumrichtung zu ermöglichen. Unterschiedliche Kombinationen der einzelnen optischen Elemente ermöglichen dabei die gewünschte Verformung, Auftrennung und Ausrichtung des Laserstrahls. Insbesondere werden vorteilhafterweise Zylinderlinsen im Aufbau der Erfindung zur
Strahlaufweitung und/oder zur Fokussierung eingesetzt.
Wird nachfolgend von einer Anordnung als Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung gesprochen, so kann diese Anordnung aus einem oder auch aus meh- reren einzelnen optischen Elementen (Spiegeln, Linsen, Strahlteiler, ...) bestehen. Auch die einzelnen optischen Elemente können selbst wiederum aus mehreren Teilen bestehen, also mehrteilig ausgebildet sein.
Damit im Bereich der Interferenzmaxima der Laserstrahlung im Probenvolu- men ein Materialabtrag, eine Materialaufschmelzung, eine Phasenumwandlung, eine Photopolymerisierung oder eine andere lokale Änderung der che- mischen Eigenschaften (also eine Strukturierung) an der Probe erfolgen kann, muss die in den Interferenzmaxima am Ort der Probe vorliegende Energiedichte der Laserstrahlung geeignet gewählt werden, beispielsweise zwischen 0,1 und 10 J/cm2. Dies kann durch geeignete Wahl des Lasers und der opti- sehen Anordnungen der Vorrichtung (insbesondere: Erzielen einer möglichst kleinen Fokusgröße in Richtung der ersten Raumrichtung bei möglichst großer Ausdehnung des Strahls in der zweiten Raumrichtung) realisiert werden.
Die einzelnen optischen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung (ins- besondere: Die Zylinderlinse(n), Strahlteiler, Reflexionselemente, ...) können relativ zueinander verschieblich sein und/oder rotierbar ausgebildet sein, so dass die Parameter (insbesondere: die Periode) der Interferenzstrukturen in Abhängigkeit von den Eigenschaften des verwendeten Lasers und/oder der zu strukturierenden Probe variabel eingestellt werden können.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Interferenzstrukturierung einer Probe (bevorzugt handelt es sich hierbei um eine flächige Probe z.B. in Form einer Platte oder einer Scheibe) umfasst: einen Laser, eine im Strahlengang des Lasers positionierte Fokussieranordnung, eine im Strahlengang des Lasers ange- ordnete Auftrennanordnung und mindestens eine im Strahlengang des Lasers positionierte Projektionsmaske. Mit der Fokussieranordnung ist die Laserstrahlung in einer ersten Raumrichtung fokussiert in ein Probevolumen, in dem die Probe positionierbar ist oder positioniert ist, abbildbar. Mit der Auftrennanordnung ist die Laserstrahlung in einer zweiten Raumrichtung mit zwei Strahlenbündeln so auf das Probevolumen richtbar, dass die beiden
Strahlenbündel innerhalb des Probenvolumens in einem Interferenzbereich interferieren. Die zweite Raumrichtung ist dabei nicht parallel zur ersten Raumrichtung, vorzugsweise senkrecht zur ersten Raumrichtung. Die erfindungsgemäß verwendete Projektionsmaske ist vorzugsweise so in den Strah- lengang des Lasers eingebracht, dass Teile der Laserstrahlung (bzw. eines der beiden Strahlenbündel oder beider Strahlenbündel) absorbiert werden und andere Teile der Laserstrahlung (bzw. des/der Strahlenbündel) durch die Maske transmittiert werden. Beispielsweise kann/können die Projektionsmaske(n) hierzu aus einem die Laserstrahlung vollständig (oder zumindest teilweise) absorbierenden Material bestehen, wobei dann in einer Fläche senkrecht zur
Laserstrahllängsachse gesehen Abschnitte aus diesem Material z.B. zur Aus- bildung einer abzubildenden geometrischen Struktur entfernt worden sind. In besagter Ebene senkrecht zur Laserstrahllängsachse gesehen werden somit Teile der Laserstrahlung absorbiert, wohingegen (in den aus der Maske herausgelösten Bereichen) Teile der Laserstrahlung unbeeinflusst durch die Maske transmittiert werden.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist die Vorrichtung so ausgebildet, dass mit ihr mehr als zwei, bevorzugt drei, vier oder fünf, Strahlenbündel so auf das Probenvolumen gerichtet werden können (die beispielsweise mit- tels der Auftrennanordnung aus dem Laserstrahl eines Lasers erzeugt werden können), dass die mehr als zwei Strahlenbündel innerhalb des Probenvolumens in dem Interferenzbereich interferieren. Die Ausgangspunkte der Strahlenbündel müssen dabei nicht in einer Raumebene liegen. Die Strahlenbündel können z. B. sternförmig auf den Interferenzbereich einfallen und dort inter- ferieren.
Auch können die Fokussieranordnung und die Auftrennanordnung im Strahlengang mehrerer Laser positioniert sein. Die Fokussieranordnung und die Auftrennanordnung sowie die mehreren Laser sind dann so ausgebildet und positioniert, dass eine fokussierte Abbildung der Laserstrahlung der mehreren Laser in der ersten Raumrichtung in das Probenvolumen erfolgt und dass die durch die Auftrennanordnung aus der Mehrzahl von Laserstrahlen (der mehreren Laser) erzeugte Vielzahl von Strahlenbündel innerhalb des Probenvolumens im Interferenzbereich interferiert. Erfindungsgemäß können der Probe oder der Oberfläche derselben Li- nien(abschnitte), Löcher, ... als Interferenzstrukturen einstrukturiert werden. Auch ein mehrfaches Bestrahlen ein und derselben Probe bzw. Oberfläche derselben ist (z. B. unter Drehen der Probe zwischen zwei Bestrahlungsdurchgängen) möglich (mehrfaches Strukturieren der Probe). Auf diese Art und Weise können der Probe oder der Oberfläche derselben nahezu beliebige
Strukturformen und -Varianten (z. B. auch Kreuzstrukturen) einstrukturiert werden.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung umfasst die Auftrennanordnung eine Aufweit- und Auftrennanordnung (oder ist als solche ausgebildet), mit der die Laserstrahlung unter Beibehaltung der fokussierten Abbildung in das Probenvolumen in der ersten Raumrichtung in der zweiten Raumrichtung aufgeweitet, in die zwei Strahlenbündel aufgetrennt und in Gestalt dieser beiden Strahlenbündel so auf das Probenvolumen gerichtet werden kann, dass die beiden Strahlenbündel innerhalb des Probenvolumens in dem Interfe- renzbereich interferieren.
Alternativ zu dieser vorzugsweisen Ausführungsform (oder ggf. auch in Kombination damit) kann die Auftrennanordnung ein im Strahlengang des Lasers angeordnetes Prisma (insbesondere ein Biprisma) umfassen. Dieses Prisma ist so angeordnet und ausgebildet, dass mit ihm die Laserstrahlung in die beiden
Strahlenbündel aufgetrennt werden kann und so auf das Probenvolumen gerichtet werden kann, dass die beiden Strahlenbündel innerhalb des Probenvolumens im Interferenzbereich interferieren. In Verbindung damit kann die Fokussieranordnung ein oder mehrere
Fokussierelement(e) in Form einer/von Zylinderlinse(n), einer/von Zylinderlin- se(n) mit im Strahlengang danach angeordnetem/n F-Theta-Objektiv/en oder eines/von zylindrischen F-Theta-Objektivs/en umfassen. Die im Strahlengang des Lasers positionierte(n) Projektionsmaske(n) kann/können vorzugsweise wie folgt positioniert sein (dabei können auch mehrere beliebige der nachfolgend beschriebenen einzelnen Positionsmerkmale verwirklicht sein): · Sie kann/können zwischen der Auftrennanordnung einerseits und dem
Probenvolumen und/oder der Probe anderseits positioniert sein.
• Sie kann/können im Probenvolumen sowie einerseits auf der der Auftrennanordnung zugewandten Seiten der Probe und anderseits unmittelbar angrenzend an die Probe und/oder in Strahlrichtung der
Laserstrahlung (also längs der Strahlachse und in Strahlrichtung) gesehen unmittelbar vor der Probe positioniert sein. β Sie kann/können orthogonal zur Probennormalen, orthogonal zur Hauptachse des Strahlengangs des Lasers vor der Auftrennung in die beiden Strahlenbündel und/oder orthogonal zur Hauptachse eines der beiden Strahlenbündel (nach der Auftrennung in diese beiden Strahlenbündel durch die Auftrennanordnung) positioniert sein.
• Sie kann/können parallel zu einer, mit den beiden interferierenden Strahlenbündeln bestrahlten und hierdurch zu strukturierenden Oberfläche der Probe positioniert sein.
Bei jeder der vorbeschriebenen (und auch nachfolgend noch beschriebenen) Varianten können die beiden Strahlenbündel durch die einzelnen optischen Elemente so ausgeformt werden, dass sie in der zweiten Raumrichtung divergent sind. Der Divergenzwinkel (nachfolgend auch mit Θ bezeichnet) kann dabei vorzugsweise > 5°, besonders bevorzugt > 10° (oder auch > 15°) sein. Auch größere Divergenzwinkel von z.B. 20° oder 25° sind denkbar. Eine solche Divergenz ist jedoch nicht notwendig, die Strahlenbündel können auch (in der zweiten Raumrichtung gesehen) parallele Strahlenbündel - siehe das nachfolgende Ausführungsbeispiel mit Prisma - oder ggf. sogar konvergente Strahlenbündel sein.
In allen beschriebenen Varianten kann die Auftrennanordnung im Strahlen- gang des Lasers und in Strahlrichtung gesehen nach der Fokussieranordnung und vor dem Probenvolumen (und/oder der Probe) positioniert sein.
Vorzugsweise weisen die vorbeschriebenen Varianten der Erfindung eine Bewegungseinheit auf. Bei dieser kann es sich um einen Verschiebetisch, einen Drehtisch, ein Förderband oder auch um eine rollenbasierte Transportvorrichtung (Rolle-zu-Rolle-System) handeln. Die die Probe muss aber nicht flächig sein. Es können auch Zylinder- oder walzenförmig ausgebildete Proben direkt mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung strukturiert werden, indem z.B. die Zylinderachse parallel zur fokussierten Linie der Laserstrahlung, also parallel zur ersten Raumrichtung positioniert wird.
Mit der Bewegungseinheit kann die Probe (oder können Abschnitte derselben) relativ zum Laserstrahl und/oder relativ zu den beiden Strahlenbündeln nach der Auftrennung des Laserstrahls bewegt werden. Alternativ dazu, be- vorzugt in Kombination damit, kann/können mit der Bewegungseinheit auch die Projektionsmaske(n) relativ zum Strahlengang des Lasers (und/oder relativ zu den beiden Strahlenbündeln strahlausgangsseitig der Auftrennanordnung) bewegt werden. Die Bewegung(en) erfolgt/erfolgen dabei vorzugsweise parallel zur ersten Raumrichtung. Die Bewegung erfolgt somit vorzugsweise senkrecht zur Auftrenn- und/oder Aufweitungsrichtung (also zur zweiten Raum- richtung), also in der Regel in die erste Raumrichtung. Dies hat den Vorteil, dass die Vorrichtung zur Interferenzstrukturierung (beispielsweise in einem Bearbeitungskopf) kompakt, also mit vergleichsweise geringen Außenmaßen realisiert werden kann. Werden die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele in dieser Form realisiert, so sind die einzelnen optischen Elemente der Vorrichtung während der Bearbeitung der Probe fest im kartesischen
Weltkoordinatensystem x, y, z angeordnet (y ist dabei als erste Raumrichtung gewählt, x bildet die zweite Raumrichtung) und die Probe und/oder die Mas- ke(n) wird/werden relativ zu diesem Weltkoordinatensystem bewegt. Die Probe oder Abschnitte derselben und mindestens eine der, vorzugsweise mehrere der Projektionsmasken können mittels der Bewegungseinheit parallel zueinander und entweder mit derselben Bewegungsgeschwindigkeit oder mit zumindest teilweise unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeiten bewegt werden. So können beispielsweise sowohl die Probe als auch zwei ver- wendete Projektionsmasken gleichzeitig von der Bewegungseinheit mit derselben Geschwindigkeit (oder auch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten) in die erste Raumrichtung oder entgegen derselben bewegt werden.
Alternativ dazu (oder insbesondere in Kombination damit) ist es auch möglich, die Fokussieranordnung und/oder die Auftrennanordnung (oder zumindest
Teile mindestens einer dieser beiden Anordnungen) so auszubilden, dass die Laserstrahlung (insbesondere: die beiden nach dem Auftrennen resultierenden Strahlenbündel) relativ zur feststehend (im Weltkoordinatensystem x, y, z) angeordneten Probe und relativ zu der/den feststehend (im Weltkoordina- tensystem x, y, z) angeordneten Projektionsmaske(n) ausgelenkt wird (vorzugsweise parallel zur ersten Raumrichtung ausgelenkt wird). Diese Auslenkung kann beispielsweise durch translatierbare und/oder rotierbare Reflexionselemente, Strahlteiler und/oder Linsen, beispielsweise in einer geeigneten Galvanoscannerkonfiguration, erfolgen. So kann beispielsweise die Auftrennanordnung ein oder mehrere im Strahlengang des Lasers angeordnete^) bewegliche(s), insbesondere dreh- und/oder schwenkbare(s), Strahlum- lenkelement(e); insbesondere Spiegel und/oder Spiegelprisma/men umfassen, mit dem/denen die Laserstrahlung und/oder die beiden Strahlenbündel derselben auslenkbar ist/sind. Insbesondere die Variante der feststehenden Anordnungen
(Fokussieranordnung und Auftrennanordnung samt Laser) mit relativ dazu bewegter(n) Probe und/oder Maske(n) eignet sich zur Integration in eine Fertigungsanlage oder Fertigungsstraße.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Fokussieranordnung um eine strahlquer- schnittverändernde Fokussieranordnung, mit der die Laserstrahlung nicht nur in der ersten Raumrichtung fokussiert in das Probevolumen abgebildet werden kann, sondern darüberhinaus auch noch hinsichtlich ihres Strahlquerschnitts verändert werden kann. Die Fokussieranordnung kann hierzu insbesondere als Teleskop ausgebildet sein; vorzugsweise erfolgt die Veränderung des Strahlquerschnitts in Form einer Aufweitung desselben (es ist jedoch auch möglich, den Strahlquerschnitt zu verengen). Die Fokussieranordnung kann aber auch so ausgebildet werden, dass sie den Strahlquerschnitt nicht verändert (im einfachsten Fall: Verwendung einer einzelnen Sammellinse).
Vorteilhafterweise kann der Laserstrahl mit der Fokussieranordnung in zwei zueinander nicht parallele, bevorzugt zueinander orthogonale Raumrichtungen querschnittverändert (vorzugsweise aufgeweitet) werden, die dann vorzugsweise mit der ersten und der zweiten Raumrichtung übereinstimmen, bevor die fokussierten Abbildung in der ersten Raumrichtung erfolgt.
Die Auftrennanordnung kann eine oder mehrere Zylinderlinse(n) aufweisen, mit der/denen ein Aufweiten der Laserstrahlung (oder der beiden Strahlenbündel) in der zweiten Raumrichtung bewirkt werden kann/können. Auch kann die Auftrennanordnung einen Strahlteiler (z.B. halbdurchlässigen Spiegel) aufweisen, um ein Auftrennen der Laserstrahlung in die zwei Strahlenbündel in der zweiten Raumrichtung zu bewirken. Schließlich kann/können ein oder mehrere Reflexionselement(e) (beispielsweise: Planspiegel) vorgesehen sein, um die beiden Strahlenbündel so auf das Probenvolumen zu richten, dass sie innerhalb des Probenvolumens in dem Interferenzbereich interferieren. Der Laser kann im Ultravioletten, im Sichtbaren oder im Infraroten emittieren. Beispielsweise kann ein Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 355 nm eingesetzt werden. Die Energie des Lasers kann je Laserpuls zwischen 1 nJ und 50 J liegen. Die Pulswiederholrate des gepulsten Lasers kann > 1 Hz und/oder
< 100 MHz sein. Vorzugsweise liegt die Pulswiederholrate zwischen 1 KHz und 50 KHz. Bevorzugte Pulshalbwertsbreiten liegen zwischen 1 Femtosekunde und 100 Millisekunden. Die Pulsdauer kann zwischen 0.01 und 1000 με, bevorzugt zwischen 6 μ5 und 100 μ5 liegen.
Die vorliegende Erfindung beschreibt somit den Aufbau einer Vorrichtung bzw. eines optischen Systems (und ein diesem System gemäß durchgeführtes Bestrahlungsverfahren) zum Erzeugen von ein- oder zweidimensionalen Inter- ferenzmustem für die direkte Strukturierung unterschiedlicher Probenmateri- alien sowie Probenmaterialien (Substrate), die entsprechend strukturiert sind.
Ein interferenzstrukturiertes Probensubstrat, insbesondere ein Metall-, Keramik- oder Kunststoffsubstrat, ist dabei erfindungsgemäß hergestellt durch Bestrahlung des Probensubstrats in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß des dazugehörigen, nachfolgend in an den Ausführungsbeispielen geschilderten erfindungsgemäßen Verfahrens.
Wie nachfolgend noch beschrieben wird, kann die Periode der in das Probensubstrat eingebrachten Interferenzstruktur in Richtung der zweiten Raumrichtung gesehen konstant oder näherungsweise konstant sein. Diese eingebrach- te Interferenzstruktur kann relativ zu der Senkrechten auf die durch die erste
Raumrichtung und die zweite Raumrichtung aufgespannte Strukturierungs- ebene gesehen zumindest abschnittsweise eine Verkippung aufweisen, bevorzugt eine lokal variierende Verkippung aufweisen, bevorzugt eine hinsichtlich ihres Verkippungswinkels relativ zur Senkrechten auf die Strukturierungsebe- ne in Richtung der zweiten Raumrichtung variierende Verkippung aufweisen.
Im Vergleich zu den Strukturierungssystemen aus dem Stand der Technik ermöglicht die vorliegende Erfindung eine einfache und schnelle Strukturierung von Substraten, wie beispielsweise Metalloberflächen (durch lokales Um- schmelzen, also teilweises Verdampfen der Oberfläche) z.B. auch in einer Rol- le-zu-Rolle-Konfiguration. In Abhängigkeit von der maximalen Pulsenergie des verwendeten Lasersystems (die Vorrichtung kann auch zur flexiblen Verwendung unterschiedlicher Lasersysteme bzw. zum Austausch derselben ausgebildet werden), kön- nen/kann die Form des Laserstrahls und/oder der Interferenzwinkel (nachfolgend auch als Einstrahlwinkel bezeichnet und mit φ bezeichnet) der beiden Teilstrahlen variabel eingestellt werden, so dass je nach zu bearbeitender Oberfläche die notwendige Energie zum Strukturieren variabel gewählt werden kann. Dabei kann in jedem Fall eine sehr große Ausdehnung der einge- strahlten Strahlung in eine Projektionsrichtung (zweite Raumrichtung) erzielt werden. Somit kann eine hohe Laserenergie pro Fläche gewonnen werden, gleichzeitig kann die Strukturierung von großen Substraten unter Verwendung von nur einer Bewegungsrichtung durchgeführt werden. Durch einen ersten Aufweitungsschritt (in einer strahlquerschnittaufweitenden Fokussieranordnung, insbesondere in einem entsprechenden Teleskop) kann, z.B. durch Variation des Abstandes zweier Linsen im Teleskop, mit der vorliegenden Erfindung eine hohe Flexibilität für verschiedene Lasersysteme erreicht werden, d.h. die erfindungsgemäße Vor- richtung an den verwendeten Laser angepasst werden, bevor dann in einem zweiten Aufweitungsschritt (mit der Aufweit- und Auftrennanordnung) eine sehr große Ausdehnung des Laserstrahlbündels in die zweite Raumrichtung erreicht werden kann. Die vorliegende Erfindung hat insbesondere auch den Vorteil, dass der für die
Periode der zu erzielenden Struktur entscheidende Interferenz- bzw. Einstrahlwinkel φ der beiden Teilstrahlen praktisch frei wählbar ist. Die entsprechende Bearbeitung ist preisgünstig und mit einem kompakteren Aufbau möglich.
Aufgrund einer Homogenisierung des Laserstrahls wegen der starken Fokus- sierung in einer Richtung (erste Raumrichtung) ist in Verbindung mit den/der eingesetzten Projektionsmaske(n) erfindungsgemäß auch eine hohe Ästhetik der strukturierten Bauteile möglich, so dass die Nutzung der Erfindung insbe- sondere auch zum Strukturieren dekorativer Elemente möglich ist. Die Erfindung ermöglicht insbesondere das Strukturieren unterschiedlichster Metall- Oberflächen. Insbesondere können große Substrate mit vergleichsweise geringem Aufwand und schnell strukturiert werden, wobei eine Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den Inline-Betrieb ohne weiteres möglich ist. Da die Ausdehnung des Laserstrahls in die zweite Raumrichtung sehr groß sein kann, können kompakte optische Arbeitsköpfe entwickelt werden, die auf Bearbeitungsstationen fixiert sind.
Wenn die beiden (oder die mehr als zwei) interferierenden Strahlenbündel divergent sind, bildet sich erfindungsgemäß ein nicht konventionellperiodisches Interferenzmuster aus, dessen Periode über den strukturierten Bereich zwar konstant oder zumindest näherungsweise konstant ist, aber eine örtliche (in Richtung der zweiten Raumrichtung gesehen) Verkippung in Abhängigkeit des lokalen Werts der Winkelhalbierenden zwischen den interferierenden Laserstrahlenbündeln aufweist (vergleiche hierzu auch die parallel zur zweiten Raumrichtung gesehen sowie bezogen auf den Schnittpunkt der Zentralstrahlen der beiden (oder mehr als zwei) Strahlenbündel miteinander (bzw. der senkrechten Projektion dieses Schnittpunktes auf die Probenoberfläche) nach Außen hin zunehmende Verkippung der sinusförmigen Struktur in der untersten Zeile der Figur 3 sowie die Fig. 7 und 8). Hierdurch können spezielle optische Eigenschaften erhalten werden, die außergewöhnliche Wiederer- kennungsmerkmale aufweisen (die Fouriertransformierte der eingebrachten Interferenzstrukturen, wie sie beispielsweise bei Beugungsmustern zu beobachten ist, bildet asymmetrische Beugungsordnungen aus), wie sie z. B. bei Sicherheitsmerkmalen gefordert sind.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1: Eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung.
Fig. 2: Eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung.
Fig. 3: Ein Beispiel für mit den Vorrichtungen aus den Figuren 1 und 2 erzielbare Abbildungsstrukturen. Fig. 4: Grundlegende Abbildungsmerkmale erfindungsgemäßer Aufbauten gemäß der Figuren 1 oder 2.
Fig. 5: Ein Ausführungsbeispiel für erfindungsgemäße Aufbauten mit nur einer Projektionsmaske.
Fig. 6: Ein Ausführungsbeispiel für erfindungsgemäße Aufbauten mit zwei Projektionsmasken.
Fig. 7: Ein Beispiel für die geometrischen Zusammenhänge bei einer erfindungsgemäß mit divergenten Strahlenbündeln LI, L2 eingebrachten lnterferenz(tiefen)struktur.
Fig. 8: Beispiele für die Geometrie erfindungsgemäß mit divergenten Strahlenbündeln LI, L2 eingebrachter lnterferenz(tiefen)strukturen.
In den nachfolgenden Figuren werden verschiedene konkrete Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Die Vorrichtungen (ohne Probe und Maske(n)) sind dabei jeweils ortsfest im kartesischen Welt- Koordinatensystem x, y, z angeordnet, wobei die y-Richtung die erste Raumrichtung ist, in der der Laserstrahl L fokussiert in das Probenvolumen 3 abgebildet wird. Die Bewegungen der Probe P und der Maske(n) 6 erfolgen jeweils in die erste Raumrichtung y oder entgegen derselben, also in die oder entgegen der Richtung, in der die Fokussierung erfolgt.
In den Ausführungsbeispielen ist die x-Richtung diejenige Richtung, in der der Laserstrahl in der Auftrennanordnung 4 oder in der Aufweit- und Auftrennanordnung 7 aufgeweitet wird. Die Probe P ist parallel zur xy-Ebene angeordnet.
Die Figur 1 zeigt in drei Zeilen von oben nach unten die Anordnung der einzelnen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung und die flächige Probe P in einer Ebene senkrecht zur ersten Raumrichtung y (erste Zeile) und in einer Ebene parallel zur ersten Raumrichtung y (zweite Zeile) und den Strahlquerschnitt bzw. die Strahlform des Laserstrahls an unterschiedlichen Positionen entlang der optischen Hauptstrahlachse (z-Richtung) in der dritten Zeile. Die optische Hauptachse z ist dabei senkrecht zur Oberfläche der Probe P ausgerichtet.
In der ersten Ausführungsform (Figur 1) wird die Laserstrahlung L eines güte- geschalteten, diodengepumpten Lasers 1 (5 kHz, Leistung 5W, Pulsdauer 30 ns) zunächst mit einer quadratischen Blende 14 (Seitenlänge der Blendenöffnung: 5 mm) homogenisiert (Abschneiden der abfallenden Randflanken des im Wesentlichen gaußförmigen Strahlprofils) und auf ein im Strahlengang nach der Blende 14 angeordnetes Teleskop 10 als strahlquerschnittauf- weitende Fokussieranordnung 2 (zu dieser gehört genauer gesagt auch die
Blende 14) eingestrahlt. Das Teleskop 10 umfasst im Strahlengang L zunächst eine konkave Zerstreuungslinse 15 und dann eine konvexe Sammellinse 16. Durch Variation des Abstandes dieser Linsen 15, 16 entlang der Hauptstrahlrichtung z lässt sich das Verhältnis der Seitenlängen des quadratischen Strahls auf der Strahlausgangsseite des Teleskops 10 einerseits und auf der Strahleingangsseite des Teleskops 10 andererseits variabel einstellen, die Strahlausdehnung in den beiden Richtungen x und y senkrecht zur Einstrahlrichtung z somit variabel einstellen. Das Teleskop 10 bzw. die Brennweite der ausgangs- seitigen Sammellinse 16 des Teleskops ist so ausgebildet, dass der aufgeweitete Strahl L strahlausgangsseitig des Teleskops durch dieses (bei
Berücksichtigung der optischen Weglängen der beiden Teilstrahlen LI und L2 über die nachfolgend beschriebenen weiteren optischen Elemente 11, 12, 13 im Strahlengang) sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung auf die zu bearbeitende Oberfläche der im Probenvolumen 3 angeordneten Probe P fokus- siert wird. Die Probe P kann im Probenvolumen 3 jedoch auch außerhalb des
Ortes der Fokussierung angeordnet sein.
Im Strahlengang hinter dem Teleskop 10 ist eine konvexe Zylinderlinse 11 mit ihrer fokussierenden Achse entlang der ersten Raumrichtung y, also so ange- ordnet, dass der bereits in die beiden Richtungen x und y fokussierte Laserstrahl L in die zweite Raumrichtung x erneut fokussiert wird (wobei durch dieses Ausrichten der Längsachse der Zylinderlinse 11 die Fokussierung in die erste Raumrichtung y beibehalten wird). Die Brennweite fn der Zylinderlinse 11 ist dabei so gewählt, dass für beide Teilstrahlen bzw. Strahlenbündel (siehe nachfolgend LI und L2) das Verhältnis der optischen Weglänge von der Zylinderlinse 11 zur zu bearbeitenden Probenoberfläche der Probe P einerseits und der Brennweite fu andererseits deutlich größer als 2 ist, hier etwa 12 beträgt.
Etwa im 1,5-fachen Abstand der Brennweite f ist im Strahlengang hinter der Zylinderlinse ein halbdurchlässiger Spiegel 12 (Strahlteiler) angeordnet, mit dem der Strahlengang L des Lasers auf zwei Teilstrahlen LI und L2 aufgeteilt wird. Die Zylinderlinse 11 bildet den Laserstrahl L somit so auf den halbdurchlässigen Spiegel 12 ab, dass der Fokuspunkt der Zylinderlinse in Strahlrichtung gesehen vor dem halbdurchlässigen Spiegel 12 liegt. Der transmittierte Teilstrahlengang LI des halbdurchlässigen Spiegels 12 wird an einem ersten Planspiegel 13a reflektiert, fällt auf einen zweiten Planspiegel 13b und wird von dort in das Probenvolumen 3, in dem die zu bearbeitende Probe P angeordnet ist, eingestrahlt. Der am halbdurchlässigen Spiegel 12 reflektierte Teilstrahlengang L2 fällt auf einen dritten Planspiegel 13c und wird von dort in das Probenvolumen 3 bzw. auf die zu bearbeitende Oberfläche der
Probe P gelenkt. Der halbdurchlässige Spiegel 12 (Strahlteiler) sowie die drei Planspiegel 13a bis 13c sind dabei im Ortsraum x, y, z so positioniert und ausgerichtet, dass die beiden Teilstrahlen LI und L2 unter einem Winkel φ > 0° (hier z.B. 30°) interferierend und durch die Maske 6 (siehe nachfolgend) auf die zu bearbeitende Oberfläche OP der Probe P eingestrahlt werden. In der
Schnittebene zwischen dem Interferenzbereich 5 und der Probe P erfolgt somit eine Strukturierung der Probenoberfläche OP. Die beiden Teilstrahlengänge LI und L2 sind hier - bezogen auf die jeweiligen Zentralstrahlen - vom Spiegel 12 bis zur Oberfläche OP der Probe P gleich lang (dies muss aber nicht der Fall sein).
Durch die erste Aufweitung mittels des Teleskops 10 in x- und y-Richtung sowie durch die weitere Aufweitung mittels der Zylinderlinse 11 in x-Richtung aufgrund der im Vergleich zur gesamten optischen Weglänge nach der Linse 11 sehr viel kleineren Brennweite f dieser Linse 11 erfolgt, bei Beibehaltung der Fokussierung des Laserstrahls L bzw. LI, L2 in y-Richtung (vgl. den Fokus am Auftreffpunkt von LI und L2 auf die Oberfläche OP in der mittleren Zeile der Figur), eine Aufweitung in x-Richtung auf etwa 10 cm. Es ergibt sich somit ein großer Interferenzbereich 5 im Probenvolumen 3, so dass in x-Richtung gesehen ein vergleichsweise großer Abschnitt der Probe P auf einmal bearbeitet werden kann. Ein Weitertransport der Probe P in y-Richtung (hier nicht gezeigt) ermöglicht dann die flächige Bearbeitung der Probe (vgl. auch Figur 3).
Die hier als Aufweit- und Auftrennanordnung 7 ausgebildete Auftrennanordnung 4 umfasst somit die Zylinderlinse 11, den halbdurchlässigen Spiegel 12 sowie die Reflexionselemente 13a bis 13c.
In einer Variante der Ausführungsform aus Figur 1 (nicht gezeigt) ist der Aufbau zu dem in Figur 1 gezeigten Aufbau identisch mit der Ausnahme, dass das Verhältnis der Brennweite fn der Zylinderlinse zur optischen Weglänge von der Zylinderlinse 11 zum halbdurchlässigen Spiegel 12 größer als 1 ist. In diesem Fall erfolgt die letztendlich zur weiteren Aufweitung führende Fokussie- rung der Laserstrahlung in die zweite Raumrichtung x also dergestalt, dass der Fokus der Zylinderlinse 11 im Strahlengang hinter dem halbdurchlässigen Spiegel 12 liegt. Da jedoch auch hier die optische Weglänge zwischen der Zylinderlinse 11 und der zu bearbeitenden Probenoberfläche um beispielsweise den Faktor 5 oder 10, also um deutlich mehr als den Faktor 2, größer ist als die Brennweite fn, wird auch hier durch die Zylinderlinse 11 nach erfolgter Fokus- sierung durch die erneute Defokussierung eine starke Aufweitung der Laser- Strahlung in die zweite Raumrichtung x erzielt. (Sofern die Weglänge in den beiden Teilstrahlengängen LI und L2 nicht identisch ist, ist als optische Weglänge zwischen Zylinderlinse 11 und Probenoberfläche OP - wie auch in allen anderen Ausführungsformen - die mittlere Weglänge (LI + L2)/2 gemeint.)
In einer Variante der Ausführungsform aus Figur 1 (nicht gezeigt) ist der Aufbau zu dem in Figur 1 gezeigten Aufbau identisch mit der Ausnahme, dass die Zylinderlinse nicht fokussierend sondern defokussierend in eine Raumrichtung parallel zur x-Richtung wirkt, also in einer Raumrichtung konkav ist.
In einer weiteren Variante (nicht gezeigt) kann auch jeweils eine konkave Zylinderlinsen nach dem halbdurchlässigen Spiegel 12 jeweils im Strahlengang LI und L2 angeordnet sein, die defokussierend in eine Raumrichtung parallel zur x-Richtung wirkt.
In einer weiteren Ausführungsform Ausführungsform gemäß der Erfindung (nicht gezeigt) ist letztere grundsätzlich wie die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform ausgebildet ist, so dass hier nur die Unterschiede beschrieben werden: Es entfällt jedoch die quadratische Blende 14, so dass der Laserstrahl L des Lasers 1 ohne vorher beschnitten zu werden auf das Teleskop 10 abgebil- det wird. Auch hier ist der Strahldurchmesser mit Hilfe des Teleskops (Variation des Linsenabstands im Teleskop 10) einstellbar. Der Vorteil dieser Vorrichtung ist die Vermeidung von Intensitätsverlusten durch die Beschneidung des Strahls durch die Blende 14. Demgegenüber hat die in Figur 1 gezeigte Anordnung den Vorteil, dass die Intensität über den gesamten Strahlquerschnitt nach der Blende praktisch konstant ist, so dass sich nach der optischen Abbildung 10, 11, 12 und 13a bis 13c über die gesamte Ausdehnung des Interferenzbereichs 5 im Probenvolumen in x-Richtung eine praktisch konstante Intensität ergibt. Sämtliche Bereiche der Probe P, die durch die Interferenz strukturiert werden, werden somit auf identische Art und Weise strukturiert (so wird beispielsweise eine geringere Eindringtiefe der Strukturen zum Rand des Interferenzbereichs 5 hin, im Vergleich zur Mitte desselben, vermieden).
In den vorbeschriebenen (in Figur 1 gezeigten oder auch nicht gezeigten) Beispielvarianten der Erfindung ist strahlenausgangsseitig der Reflexionselemen- te 13 und zwischen letzteren und der Probe P bzw. dem Probenvolumen 3 im
Interferenzbereich 5 mit ihrer Hauptebene parallel zur Hauptebene der Probe P bzw. zur Probenoberfläche OP eine Projektionsmaske 6 angeordnet. Die Hauptebene der Projektionsmaske 6 liegt somit parallel zur xy-Ebene, d.h. die Maske 6 ist senkrecht zur Hauptstrahlrichtung z angeordnet. Die Projektions- maske 6 ist dabei im gezeigten Fall auf den Zentralstrahl der Laserstrahlung L vor seiner Auftrennung bzw. auf die beiden Strahlenbündel LI und L2 zentriert (dies muss jedoch nicht der Fall sein). Wie Figur 1, erste Zeile, skizziert, ist die Projektionsmaske 6 aus einem laserstrahlundurchlässigen Material hergestellt (z.B. einem Metall oder Keramikkörper) und mit Ausnehmungen zum Ausbilden einer mittels der interferierenden Laserstrahlenbündel LI und L2 auf die Probenoberfläche OP abzubildenden geometrischen Struktur versehen (siehe hierzu auch das Beispiel in Figur 6). Die Ausnehmung sind als aus dem Maskenkörper vollständig herausgenommene Durchbrechungen ausgebildet, so dass in der xy-Ebene gesehen die Laserstrahlung in den Bereichen der Aus- nehmungen vollständig, also ungeschwächt, durch die Projektionsmaske 6 hindurch transmittiert wird und in den nicht aus dem Maskenkörper heraus- genommenen Bereichen (die die tragende Struktur der Maske 6 bilden) vollständig von der Maske 6 absorbiert wird.
Wie Figur 3 mittlere Zeile zeigt, ist die Maske 6 unmittelbar vor der zu strukturierenden Oberfläche OP der Probe P in einem möglichst geringen Abstand d3 (von OP) in z-Richtung von hier beispielsweise 1 bis 2 mm angeordnet.
Der Winkel φ bezieht sich hier (wie auch in den anderen Ausführungsbeispielen), auf die Hauptstrahlachse im jeweiligen Teilstrahlengang LI, L2.
Die Maske 6 wird vorteilhafterweise so nahe an der Probe P wie möglich positioniert, um Beugungseffekte (und demgemäß Defekte auf der auf die Probenoberfläche OP der Probe P aufzubringende Interferenzstruktur - die nachfolgend auch als Bild oder Hologramm bezeichnet wird) zu vermeiden. Die Maske 6 kann auch direkt auf der Probe bzw. dem Substrat P aufgebracht (z.B. aufbeschichtet) werden (z.B. mittels PVD oder CVD). In diesem Falle werden dann die Maske 6 und die Probe P zwangsweise mit derselben Geschwindigkeit v (siehe auch nachfolgende Beispiele) bewegt. Auch die Dicke bzw. die Ausdehnung der Maske 6 in z-Richtung sollte so gering wie möglich sein, um unerwünschte Beugungseffekte zu vermeiden (z.B. Maskendicke zwischen 0.1 und 2 mm).
Der Winkel Θ bezeichnet den Divergenzwinkel der beiden Teilstrahlen LI und L2, der hier etwa 5 Grad beträgt. Siehe hierzu auch die nachfolgenden Figuren 4 und 5. Der Winkel Θ wird ausgehend vom zentralen Strahl des jeweiligen Strahlenbündels LI bzw. L2 gemessen.
Hier, wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen, sind für die Ausdehnung der Aufweitung in der zweiten Raumrichtung bzw. für das Verhältnis der Ausdehnungen des Laserstrahls in der zweiten Raumrichtung und in der ersten (fokussierten) Raumrichtung der Abstand der Linsen im Teleskop 10 (sofern vorhanden), die Brennweite der Zylinderlinse(n) und die optischen Weglängen in den beiden Teilstrahlen LI und L2 entscheidend. Durch geeignete Variation der entsprechenden Parameter lässt sich die gewünschte Aufweitung in der zweiten Raumrichtung (samt dem Winkel φ auf einfache Art und Weise einstellen. Figur 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung, die ortsfest in dem Weltkoordinatensystem (kartesisches Koordinatensystem (x, y, z)) angeordnet ist. Fig. 2 links zeigt eine Aufsicht entgegen der Richtung der y-Achse (erste Raumrichtung), Fig. 2 rechts zeigt eine Seitenansicht entgegen der x-Achse (entgegen der zweiten Raumrichtung). Sofern nachfolgend nichts anderes gesagt ist, sind in den Ausführungsbeispielen sämtliche der aufgeführten optischen Elemente im Strahlengang auf der optischen Achse zentriert angeordnet (dies muss aber nicht der Fall sein). Als Laser 1 wird ein Faser-Lasersystem mit einer Pulsdauer im Bereich zwischen 1 Femtosekunde und 1000 Mikrose- kunden, mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen 150 nm und 13000 nm und mit einer Pulswiederholrate im Bereich zwischen 1 Hz und 200 MHz eingesetzt. Bevorzugt handelt es sich hierbei um ein Faserlaser-System mit 20 ns Pulsdauer, eine Wellenlänge von 1064 nm, und einem Wiederholrate von 5 KHz.
Im Strahlengang L des Lasers 1 ist zunächst ein Kollimator 20 zur Erzeugung eines parallelen Laserstrahlenbündels mit einem Durchmesser von 7 mm (doppelte Halbwertsbreite) angeordnet. Im Strahlengang L nach dem Kollimator folgt ein— in Strahlrichtung gesehen— zunächst eine Konkavlinse 21 (z.B. mit einer Brennweite von -150 mm) und anschließend eine Konvexlinse 22 (z.B. mit einer Brennweite von 200mm) umfassender Strahlaufweiter 21, 22, mit dem die Strahlbreite in beide Raumrichtungen aufgeweitet wird. Nach dem Strahlaufweiter 21, 22 beträgt der mittlere Strahldurchmesser 14 mm (des nach wie vor parallelen Strahlenbündels L).
Im Strahlengang zwischen Kollimator 20 und Strahlaufweiter 21, 22 kann auch (hier nicht gezeigt) eine quadratische Lochblende angeordnet sein, mit der der nach dem Kollimator 20 runde Strahlquerschnitt in einen quadratischen Strahlquerschnitt umgesetzt wird. Das parallele verbreiterte Strahlbündel L der Laserstrahlung wird nach dem Strahlaufweiter 21, 22 auf eine Zylinderlinse 23, deren Zylinderachse in x-Richtung angeordnet ist, gerichtet. Die optischen Elemente 20, 21, 22 und 23 bilden die als strahlungsquerschnittsaufwei- tende Fokussieranordnung 10 ausgebildete Fokussieranordnung 2. Die Brennweite der Zylinderlinse 23 ist so gewählt, dass sie mit dem Abstand der Zylinderlinse von dem Probenvolumen 3 bzw. von der Probe P (entlang der optischen Achse bzw. der z-Achse des Aufbaus gesehen) übereinstimmt. Die Laserstrahlung L wird somit, in y-Richtung gesehen, genau auf die zu be- arbeitende Oberfläche OP der Probe P fokussiert.
Im Strahlengang nach der Anordnung 2, 10, also deren Zylinderlinse 23 ist ein Biprisma 8 (das hier die nicht strahlquerschnittserweiternde Auftrennanordnung 4 ausbildet) so angeordnet, dass die seinem stumpfen Winkel gegenüberliegende Oberfläche senkrecht zur optischen Achse des
Aufbaus steht und dem Element 23 zugewandt ist. Der stumpfe Winkel beträgt hier 170°. Die beiden den stumpfen Winkel aufspannenden Flächen stehen senkrecht auf der x-z-Ebene. Das Biprisma 8 ist, durch geeignete Wahl des stumpfen Winkels, so ausgebildet und angeordnet, dass das einfallende Laser- Strahlenbündel L durch das Biprisma in zwei Strahlenbündel LI und L2 aufgeteilt wird, die— in Richtung der zweiten Raumrichtung x gesehen — unter dem Winkel φ überlagert werden. Im Überlappungsbereich der beiden Strahlenbündel LI, L2 tritt somit Interferenz der Laserstrahlung L auf (dieser hier schraffiert gezeichnete Überlagerungsbereich wird daher nachfolgend auch als Interferenzbereich 5 bezeichnet).
Innerhalb des Interferenzbereichs 5 ist eine ebene Probe P (hier eine dünne Metallplatte) senkrecht zur optischen Achse der gezeigten Vorrichtung innerhalb des Probenvolumens 3 platziert. Im gezeigten Fall kann somit der Be- reich, in dem Interferenz der beiden Teilstrahlenbündel LI und L2 auftritt (Interferenzbereich 5), als Teil des Probenvolumens 3, in dem die Probe P angeordnet ist, aufgefasst werden.
Durch geeignete Wahl der Laserparameter und durch Platzieren der Probe P im Brennweitenabstand der Zylinderlinse 23 kann somit in den Intensitätsma- xima der Interferenz eine lokale Energiedichte an der Probenoberfläche OP erzeugt werden, die ausreicht, Material P lokal zu verdampfen und somit, entsprechend dem Intensitätsmuster, eine Tiefenstruktur in die Plattenoberfläche P einzubringen.
Aus dem Brechungsgesetz folgt n8 x sin((180-Y)/2) = nLuft x sin( <p ) mit nLuft = 1 (Brechungsindex von Luft), ng = Brechungsindex des verwendeten Glases des Biprismas 8 (hier: n = 1,45 für ein Quarzglas-Biprisma) und φ (hier: 7,2°) und γ (stumpfer Winkel, hier 170°) den vorbeschriebenen Winkeln. Für die Periode a (Periode 1, vgl. Fig. 3) der in die Probenoberfläche P eingebrannten Interferenzstrukturen ergibt sich im vorliegenden Fall gemäß λ
a = ~7 \
2 x sin ( > / 2) ein Wert von 13,5 μιη (Bei einer Wellenlänge von 1064 nm). Die sich aufgrund der Fokussierung mit dem Element 23 ergebende Ausdehnung der Interferenzstruktur in Richtung der ersten Raumrichtung y beträgt hier 50 μηη, die durch die mittlere Strahlbreite b (Breite nach der Strahlaufweitung 21, 22) in x-Richtung und den stumpfen Winkel γ des Biprismas 8 bedingte Ausdehnung der Interferenzstruktur in Richtung der zweiten Raumrichtung x beträgt hier 7 mm. Die Parameter b, γ, φ und Brennwerte der Zylinderlinse 23 sowie die Abstände der im Strahlengang verwendeten optischen Elemente sind so eingestellt, dass genau im Fokus der Linse 23 die maximale Ausdehnung des Interferenzbereiches 5 in x-Richtung auftritt.
Durch entsprechende Variation der Brennweite der Zylinderlinse 23, des Winkels γ und/oder der Strahlbreite b lässt sich die Ausdehnung der die Probenoberfläche OP strukturierenden Interferenzstruktur in y-Richtung ohne weiteres im Bereich einiger Mikrometer bis einiger Millimeter und in x-Richtung ohne weiteres im Bereich einiger Millimeter bis einiger Zentimeter variieren. (Je höher die Strahlbreite b ist, desto mehr einzelne Interferenzmaxima weist die Interferenzstruktur bei gleicher Periode a auf: Mit zunehmender Breite b steigt somit die Ausdehnung der Interferenzstruktur in x-Richtung.)
Im Beispiel der Fig. 2 ist desweiteren eine Bewegungseinheit 9 vorgesehen, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als x-y-Verschiebetisch (auf dem die Probe P fixiert ist und dessen Tischfläche parallel zur x-y-Ebene angeordnet ist) ausgebildet ist. Dieser Tisch ist im Probenvolumen 3 sowie im Interferenz- bereich 5 angeordnet. Alternativ dazu lässt sich selbstverständlich auch z.B. ein Drehtisch, auf dem die Probe P fixiert ist und dessen Rotationsachse in z- Richtung angeordnet ist (also parallel zur optischen Achse der gezeigten Vorrichtung), verwenden. Durch entsprechende Bewegung der Probe P im Probenraum 3 (durch Bewegung des Tisches 9) zwischen den einzelnen aufeinanderfolgenden Laserpulsen lassen sich — in Abhängigkeit von der konkreten Wahl der Vorschub- oder Rotationsgeschwindigkeit des Tisches, der Pulsdauer eines Laserpulses und der Pulswiederholrate der Laserpulse— unterschiedlichste ein- oder zweidimensionale Interferenz- bzw. Hologrammstrukturen in die Oberfläche OP der Probe P einbringen. Wesentlich ist dabei stets, dass, bedingt durch die Fokussierung 23 in y-Richtung, die Energiedichte in den Ma- xima des Interferenzmusters 5 ausreichend hoch ist, um das Material der Probe P lokal umzuschmelzen bzw. teilweise zu verdampfen.
Alternativ zur in Fig. 2 gezeigten Anordnung ist es auch möglich, das Fokussierelement 23— in Strahlrichtung L gesehen— nach dem Biprisma 8 anzuordnen. Es erfolgt dann zunächst das Zerlegen des aufgeweiteten Strahlenbündels L in die beiden Teilstrahlenbündel LI und L2, bevor eine Fokussierung dieser beiden Strahlenbündel LI, L2 in Richtung der ersten Raumrichtung durchgeführt wird.
Durch geeignete Wahl des Abstandes des Faserendes des Lasers 1 vom Fokussierelement 23 (oder dem ersten Prisma 8) und durch Einsatz einer geeignet ausgebildeten Kollimatorlinse ist es auch möglich, eine Strahlaufweitung ohne Verwendung des gezeigten Strahlaufweiters 21, 22 zu erreichen.
Wie Figur 2 zeigt, ist zwischen dem Biprisma 8 einerseits und der Probe P andererseits parallel zur Hauptebene (xy-Ebene) der Probe P bzw. deren Ober- fläche OP eine Projektionsmaske 6 angeordnet. Diese (in Form einer flachen, dünnen Scheibe) ausgebildete Maske 6 liegt mit ihrer Hauptebene parallel zur Oberfläche OP, also ebenfalls in der bzw. parallel zur xy-Ebene. Auch hier ist die Position der Maske 6 nahe an der Probe P, um Beugungseffekte (und daraus folgende Herstellungsfehler in der in die Oberfläche OP eingebrachten Interferenzstruktur bzw. im Hologramm) zu vermeiden. Der Abstand d3 in z-
Richtung zwischen der Maske 6 und der Probenoberfläche OP beträgt hier zwischen 1 und 2 mm. Die Maske 6 kann jedoch auch direkt auf die Probe P aufgelegt und an dieser fixiert werden (auch eine Aufbeschichtung der Maske 6 auf die Probenoberfläche OP mit PVD- oder CVD-Verfahren ist möglich - in diesem Fall gilt dann d3 = 0).
Figur 3 zeigt ein Beispiel für erfindungsgemäß mit den Vorrichtungen aus Figur 1 oder 2 mittels eines gepulsten Lasers auf die zu bearbeitende Oberfläche OP aufbringbare Hologramme bzw. Interferenzstrukturen. Gemäß der in Figur 3 gezeigten Formel hängt die Periode 1 (also die Periode in der zweiten Raum- richtung x, die auch mit a bezeichnet ist), also der Abstand benachbarter Linien der Interferenzstruktur, lediglich von der Wellenlänge λ des Laserlichts L sowie vom Interferenzwinkel φ zwischen den beiden auf die Probenoberfläche OP eingestrahlten Teilstrahlen bzw. Strahlenbündeln LI und L2 ab. Erfindungsgemäß lassen sich Perioden a im Nanometerbereich bis im Bereich eini- ger hundert Mikrometer erzeugen und Fokusausdehnungen in die erste
Raumrichtung y im Bereich zwischen einem Mikrometer und mehreren Millimetern (vergleiche„Periode 1" in Figur 3). Bearbeitungsausdehnungen in die zweite Raumrichtung x von einem Millimeter oder wenigen Millimetern bis zu 40 cm oder mehr (ggf. bis zu 100 cm) sind möglich, vergleiche„Abstand d5" in Figur 3.
Durch geeignete Wahl des Vorschubs bzw. der Bewegungsgeschwindigkeit(en) der Probe P und/oder der Maske(n) 6 und eine daran angepasste Pulsfrequenz der einzelnen Laserpulse lassen sich nahezu beliebige punkt- oder li- nienförmige Interferenzstrukturen bzw. Hologrammstrukturen erzeugen. In
Kombination mit der geometrischen Struktur der Maske(n) 6 bzw. der Form und der Position deren Ausnehmungen (vergleiche auch Figur 6) lassen sich aus den in Figur 3 gezeigten Interferenzstrukturen Bildstrukturen nahezu beliebiger Form auf OP erzeugen. Somit lassen sich nahezu beliebig makroskopi- sehe Formgebungen z.B. in Form von Buchstaben oder Bildstrukturen (Symbole, Schriftzüge oder dergleichen) in bzw. auf der Oberfläche OP erzeugen.
Wie Figur 3 zeigt, können somit ganzflächig farbige Interferenzstrukturen bzw. Hologramme auf polierten Metalloberflächen OP durch lokales Umschmelzen (teilweise Verdampfen) der Oberfläche OP eingebracht werden. Werden wie in Figur 1 gezeigt divergente Θ Strahlenbündel LI und L2 verwendet, so ändert sich das Interferenzmuster über den Abstand d5 (die Perioden 1 und 2 bleiben jedoch gleich, vergleiche hierzu auch die sinusförmige Struktur in der untersten Zeile der Figur). Figur 4a zeigt, dass eine Maske 6 mit einer Maskenöffnung bzw. Durchbrechung auch asymmetrisch zur Strahlachse des Laserstrahls L (bzw. eines der Strahlenbündel oder beider Strahlenbündel LI, L2) positioniert werden kann. Dabei ist dl die Ausdehnung der Maskenöffnung in der xy-Ebene, d2 die Projektion der Maskenöffnung auf die Oberfläche OP durch die Laserstrahlung (im Abstand d3 von der Maske 6), d3 der Abstand zwischen Maske 6 und Probenoberfläche OP, d4 der Weg im Strahlengang von demjenigen gedachten Punkt im Raum, von dem die divergenten Strahlenbündel LI bzw. L2 ausgehen, zur Position der Maske 6 (entlang des Hauptstrahls gesehen) und d5 die dem Divergenzwinkel Θ entsprechende Ausdehnung des Laserstrahlbündels auf Höhe der Oberfläche OP in der xy-Ebene. Der Winkel α ist derjenige Winkel, der sich entsprechend der Projektion des Randes der Ausnehmung in der Maske 6 auf die Oberfläche OP ergibt.
Figur 4b zeigt einen entsprechenden Fall, bei dem die Ausnehmung bzw. die Maskenöffnung symmetrisch zur Hauptstrahlachse angeordnet ist.
Wie die Figur 4 zeigt, gibt es keine Abbildungsfehler, wenn die Maskenöffnung verschoben zur Hauptstrahlachse liegt. Da jedoch die Laserstrahlen LI, L2 divergent Θ sind, wird die Maske 6 nicht 1:1 abgebildet. Die Abbildungsgröße d2 der Maske 6 ist eine Funktion des Divergenzwinkels Θ und der Abstände d3, d4.
Figur 5 zeigt ein Beispiel der Verwendung genau einer Maske im Strahlengang der beiden Teilstrahlen LI und L2 der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung (eine entsprechende Positionierung genau einer Maske 6 in der in Figur 2 gezeigten
Vorrichtung ist jedoch ebenso möglich). Gleiche Bezugszeichen bzw. Abbildungsgrößen bezeichnen identische Merkmale wie in den vorhergehend beschriebenen Figuren. d6 ist der Abstand senkrecht zur Hauptstrahlrichtung z (also in der xy-Ebene) der beiden fiktiven Divergenzpunkte (Punkte im Raum, von denen die divergenten Strahlenbündel LI, L2 ausgehen) der beiden Strahlenbündel LI, L2. Figur 5 skizziert die Abschattung auf der Probenoberfläche OP, also die Projektion der Ränder einer Ausnehmung in einer Maske 6 auf diese Oberfläche OP in Abhängigkeit des Abstandes d3 zwischen Maske 6 und Oberfläche OP sowie des Abstandes d4 der Divergenzpunkte von der Maske 6. Betrachtet man die Maskenebene xy als Interferenzebene (die gezeigte Aus- nehmungsausdehnung dl in der Maske 6 sei hier in x-Richtung angenommen), so gilt für den Interferenzwinkel φ die in Figur 5 dargestellte Beziehung. Dieser Interferenzwinkel φ (x) ist somit abhängig von der x-Position der Projektion des Schnittpunktes der lokalen Teilstrahlen in den beiden Strahlenbündeln LI, L2 auf die Probenoberfläche OP. Der lokale Wert φ (χ) dieses Interferenz- Winkels entlang der x-Richtung bestimmt damit die lokale Verkippung V der ins Probensubstrat P eingebrachten Interferenz-Tiefenstruktur (Tiefe in z- Richtung gesehen), also den lokalen Verkippungswinkel V der Interferenz- Tiefenstruktur relativ zur Senkrechten Sxy auf die Strukturierungsebene (xy- Ebene). Da die Probennormale (-z-Achse) nur bei y = 0 symmetrisch zu den Laserstrahlenbündeln LI, L2 ist, gilt für die Interferenzperiode die in Figur 5 unterste Zeile dargestellte Beziehung.
Wie Figur 6 (Figur 6a: Aufsicht auf die xz-Ebene, Figur 6b: Aufsicht auf die xy- Ebene) zeigt, können im Rahmen der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausfüh- rungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung (hier am Beispiel der Figur
1 lediglich ausschnittsweise gezeigt) auch mehrere Masken 6a, 6b verwendet werden. Im gezeigten Fall ist - beabstandet von der Oberfläche OP und zwischen der Auftrennanordnung 4 (hier nicht gezeigt) und der Probe P in jedem der beiden Strahlenbündel LI, L2 jeweils genau eine Maske 6a, 6b positio- niert. Die beiden Masken 6a, 6b sind dabei jeweils orthogonal zur und zentriert auf der Zentralstrahlachse des jeweiligen Strahlenbündels LI, L2 (sowie im Wesentlichen parallel zur Oberfläche OP) positioniert.
Wie Figur 6b zeigt, können die Probe P und die beiden Masken 6a, 6b zusam- men mit ein und derselben Geschwindigkeit vi = v2 (siehe Fall 1 in Figur 6b) in y-Richtung verfahren werden. Die Laserstrahlung L ist bzw. die beiden Strahlenbündel LI, L2 sind im gezeigten Fall ortsfest (durch ortsfeste Positionierung des Lasers 1, der Fokussieranordnung 2 und der Auftrennanordnung 4) im Weltkoordinatensystem x, y, z positioniert (das Laserlichtfeld steht somit ortsunveränderlich im Raum). Die Bewegung der Probe P und der Masken 6a,
6b kann mit Hilfe der vorbeschriebenen Bewegungseinheit 9 (hier nicht ge- zeigt) realisiert werden.
Wie die Fälle 2. bis 4. in Figur 6b skizzieren, können die beiden Masken 6a, 6b einerseits (mit ihrer hier übereinstimmenden Geschwindigkeit vi) und die Probe P andererseits (mit ihrer Geschwindigkeit v2; vi und v2 sind jeweils in y-Richtung gerichtet) auch mit unterschiedlichen Verfahrgeschwindigkeiten verfahren werden. Je nach Relation der beiden Verfahrgeschwindigkeiten vi und v2 lassen sich somit unterschiedliche Geometrien der Maskenabbildung auf der Probenoberfläche OP (durch die je nach Geschwindigkeitsverhältnis variierende Verzerrung der geometrischen Struktur der Masken 6a, 6b entlang der y-Richtung) erzeugen.
Beim in Figur 6 gezeigten Fall kann - dies ermöglicht eine einfachere Justierung und Einrichtung der Vorrichtung - eine der beiden Maske (z. B. die Mas- ke 6b) auch weggelassen werden, so dass sich dann lediglich im Strahlengang
LI eine einzige Maske 6a befindet. Auch hier lässt sich durch die Geschwindigkeit vi der Maske relativ zur Geschwindigkeit v2 der Probe (gemessen jeweils in y-Richtung) die Abbildungsgeometrie der auf der Oberfläche OP erzeugten Hologrammstruktur nahezu beliebig steuern. In diesem Ausführungsbeispiel bestrahlt ein Laserstrahlenbündel die Probe vollflächig (also nicht abgeschattet), während das andere Strahlenbündel lokal ausgeblendet ist. Zur Interferenz kommt es nur an Positionen, an denen beide Laserstrahlen nicht ausgeblendet sind. Eine vereinfachte Justierung ergibt sich auch dadurch, dass statt der beiden
Masken 6a, 6b in einem vergleichsweise großen Abstand in z-Richtung vor der Oberfläche OP lediglich eine Maske im gemeinsamen Interferenzbereich 5 nahe der Probenoberfläche OP (vergleiche hierzu auch Figur 1) eingesetzt wird. Die einzelne Maske 6 ist dann parallel vor dem Substrat P angeordnet. Auch in diesem Fall lassen sich durch die Geschwindigkeit der Maske einerseits und die Geschwindigkeit der Probe andererseits (beide in y-Richtung) die Abbildungsgeometrien steuern.
In allen vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen oder Varianten kann die Maske beispielsweise aus einem Metallmaterial, aus einem Keramikmaterial oder aus einem Polymermaterial bestehen. Zur Ausbildung der Abbildungs- struktur in der Maske können entsprechende Teil aus diesem Grundmaterial herausgelöst sein (Durchbrechungsstrukturen in der Maskenebene bzw. der xy-Ebene). Die Maske kann auch durch Metall, Keramik oder Polymer (z.B. in Schichtform) auf einem transparenten Träger (transparent für die Laserwel- lenlänge, zum Beispiel Quarzglas) hergestellt werden. Entsprechende
Schichtmaterialien können auch direkt auf der Probe aufgebracht werden, um die Maske auszubilden. Die Maskenform (bzw. die herausgelösten Abbildungsstrukturen) können nahezu beliebig sein, Symbole, Schriftzüge oder auch Barcodes können hergestellt werden.
Durch Variationen und Unterbrechungen der Linien (mit dem Abstand bzw. der Ausdehnung d5, vgl. Fig. 3 und 4), lassen sich nahezu beliebige makroskopische Formen, beispielsweise Buchstaben, auf der Oberfläche OP durch die Interferenzstruktur vermittels der Bewegung des Laserstrahls L/L1/L2 in y- Richtung relativ zur Maske 6 und zur Probe P oder durch Bewegung der Probe
P und der Maske 6 relativ zum Laserstrahl L/L1/L2 erzeugen.
Durch Variation der Perioden 1 und 2 und/oder der Orientierung (Verkippung) der periodischen Strukturen auf der Oberfläche OP lassen sich (Betrachtung der Oberfläche OP unter unterschiedlichen Betrachtungs- und/oder Beleuchtungswinkeln) die Interferenzstrukturen so einbringen, dass je nach Betrachtungs- und/oder Beleuchtungswinkel ein unterschiedlicher Farbeindruck des eingebrachten Hologramms (Interferenzstruktur) entsteht. Dabei ist es möglich, dass kein Kontrastunterschied zum polierten Metall vorliegt.
Ein Farbeindruck entsteht in der Regel, wenn der Winkel zwischen Blickrichtung und Probennormaler gleich dem Winkel zwischen einfallendem Licht und der Probennormalen ist. Hierbei sollte die periodische Struktur (Periode 1 und/oder 2) orthogonal zur Ebene, die durch die Blickrichtung (Beobachter) und die Einstrahlrichtung des Lichtes aufgespannt wird, sein.
Erfindungsgemäß lassen sich beispielsweise Interferenzstrukturen bzw. Hologramme in Form von Authentifizierungsmerkmalen auf Gegenständen (Beispiel: Metallschale eines Handys, Klinge eines Messers oder auch Zifferblatt einer Uhr) einbringen. Bei Betrachtung der Oberfläche OP unter diffusem Licht lassen sich nahezu beliebige gewünschte Helligkeits- und/oder Reflexionsunterschiede erzeugen. Bei gerichtetem Licht lassen sich farbige Oberflächeneindrücke (auch durch Variation bzw. durch geeignete Wahl der Perioden 1 und 2 erzeugen). Ent- sprechend der gewählten Perioden 1 und 2 und der Orientierungen der Linien im Raum bzw. in der xy-Ebene lassen sich Oberflächenbereiche OP mit unterschiedlichen Farbeindrücken erzeugen.
Erfindungsgemäß sind nahezu alle Materialien strukturierbar, insbesondere Metalle (beispielsweise Edelstahl) oder auch Oxide.
Die eingesetzten Masken 6, 6a, 6b können dabei unterschiedliche Strukturabstände der eingebrachten Strukturen aufweisen. Wie die beiden Figuren 7 und 8 zeigen, ist die Periode (gemeint ist hier die
Periode 1, also die in Figur 3 gezeigte Größe a) der in das Probensubstrat P eingebrachten Interferenzstruktur in Richtung der zweiten Raumrichtung x gesehen konstant oder zumindest nahezu konstant. In Richtung der zweiten Raumrichtung x gesehen, weist die Interferenzstruktur jedoch zu den Rändern hin (also nach außen gesehen), eine zunehmende Verkippung V auf. Der
Verkippungswinkel νφ ist dabei der Winkel zwischen der Normalen Sxy auf die Probenoberfläche OP bzw. auf die xy-Ebene einerseits und der lokalen Längsrichtung der Interferenzmusterform andererseits. Wie Figur 7 (untere Zeile) zeigt, beträgt am Ort x der Projektion (in Richtung Sxy bzw. in z-Richtung ge- sehen) des Schnittpunktes der beiden Zentralstrahlen der beiden Strahlenbündel LI und L2 (vergleiche auch Figur 1) auf die Probenoberfläche OP, also an demjenigen Ort x, an dem die Winkelhalbierende zwischen zwei Teilstrahlen aus den beiden Strahlenbündeln LI und L2 genau parallel zur senkrechten Sxy auf die Probenoberfläche OP ist, der Verkippungswinkel νφ = 0°. Es liegt somit keine Verkippung V relativ zur Normalen Sxy vor (V = 0 in Figur 8). Mit zunehmendem Abstand in x-Richtung beidseits von diesem Punkt auf der Oberfläche OP nimmt der Verkippungswinkel νφ sukzessive zu, demgemäß ergibt sich eine wachsende Verkippung (V > 0). Es gilt (vergleiche hierzu auch die geometrischen Zusammenhänge in Figur 5): νφ = ß(x). Wie die drei Zeilen in Figur 8 (sowie die drei rechten Spalten in Figur 7) zeigen, können erfindungsgemäß unterschiedliche Probenoberflächen bzw. Probensubstrate auf unterschiedliche Art und Weise bearbeitet werden.
Im Fall 1 (Figur 8 erste Zeile) wurde beispielsweise eine Polymerschicht z.B. Polyimid (es könnte sich alternativ auch um eine Oxidschicht handeln) mit einem Laser der Wellenlänge 355 nm mittels eines wie in Anspruch 1 beschriebene Interferenzaufbaus strukturiert.
Im Fall 2 (Figur 8 zweite Zeile) wurde beispielsweise ein Photoresist z.B. SU-8 (hierbei handelt es sich um einen negativen Photoresist) mit einem Laser der Wellenlänge 355 nm mittels eines wie in Anspruch 1 beschriebene Interferenzaufbaus belichtet. Nachfolgend wurde der Resist entwickelt, so dass un- belichtete Schichtanteile (an den Interferenzminima) ausgewaschen wurden.
Im Fall 3 (Figur 8 dritte Zeile) wurde beispielsweise ein Photoresist z.B. AZ- 1505 (hierbei handelt es sich um einen positiven Photoresist) mit einem Laser der Wellenlänge 355 nm mittels eines wie in Anspruch 1 beschriebene Interferenzaufbaus belichtet. Nachfolgend wurde der Resist entwickelt, so dass belichtete Schichtanteile (an den Interferenzmaxima) ausgewaschen wurden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Interferenzstrukturierung einer bevorzugt flächigen Probe (P) mit mindestens einem Laser (1), einer im Strahlengang des mindestens einen Lasers (1) positionierten Fokussieranordnung (2), mit der die Laserstrahlung (L) in einer ersten Raumrichtung (y) fokussiert in ein Probenvolumen (3), in dem die Probe (P) positionierbar ist oder positioniert ist, abbildbar ist, einer im Strahlengang des mindestens einen Lasers (1) angeordneten Auftrennanordnung (4), mit der die Laserstrahlung (L) in einer zweiten, zur ersten Raumrichtung (y) nicht parallelen, bevorzugt zur ersten Raumrichtung (y) orthogonalen Raumrichtung (x) mit mindestens zwei Strahlenbündeln (LI, L2) so auf das Probenvolumen (3) richtbar ist, dass die beiden Strahlenbündel (LI, L2) innerhalb des Probenvolumens (3) in einem Interferenzbereich (5) interferieren, und mindestens einer im Strahlengang des Lasers (1) positionierten Projektionsmaske (6, 6a, 6b).
2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei, bevorzugt drei, vier oder fünf, Strahlenbündel (LI, L2, ...) so auf das Probenvolumen (3) richtbar sind, dass diese Strahlenbündel (LI, L2, ...) innerhalb des Probenvolumens (3) in dem Interferenzbereich (5) interferieren und/oder dass mehrere Laser (1, ...) vorgesehen sind, in deren jeweiligen Strahlengängen die Fokussieranordnung (2) und die Auftrennanordnung (4) so positioniert sind, dass eine fokussierte Abbildung der Laserstrahlung der mehreren Laser (1, ...) in der ersten Raumrichtung (y) ermöglicht ist und dass mehrere Strahlenbündel (LI, L2, ...) so auf das Probenvolumen (3) einstrahlbar sind, dass diese mehreren Strahlenbündel (LI, L2, ...) innerhalb des Probenvolumens (3) in dem Interferenzbereich (5) interferieren.
3. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftrennanordnung (4) eine Aufweit- und Auftrennanordnung (7) ist oder umfasst, mit der die Laserstrahlung (L) unter Beibehaltung der fokussierten Abbildung in das Probenvolumen (3) in der ersten Raumrichtung (y)
• in der zweiten Raumrichtung (x) aufweitbar ist,
• in die zwei Strahlenbündel (LI, L2) auftrennbar ist und
• in Gestalt dieser beiden Strahlenbündel (LI, L2) so auf das Probenvolumen (3) richtbar ist, dass die beiden Strahlenbündel (LI, L2) innerhalb des Probenvolumens (3) in dem Interferenzbereich (5) interferieren.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftrennanordnung (4) ein im Strahlengang des Lasers (1) angeordnetes Prisma (8), insbesondere ein Biprisma, umfasst, mit dem die Laserstrahlung (L) in die beiden Strahlenbündel (LI, L2) auftrennbar und so auf das Probenvolumen (3) richtbar ist, dass die beiden Strah- lenbündel (LI, L2) innerhalb des Probenvolumens (3) in dem Interferenzbereich (5) interferieren.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der, mehrere der oder alle der Projektionsmasken (6, 6a, 6b) im Strahlengang des Lasers (1)
• zwischen der Auftrennanordnung (4) einerseits und dem Probenvolumen (3) und/oder der Probe (P) andererseits,
• im Probenvolumen (3) sowie einerseits auf der der
Auftrennanordnung (4) zugewandten Seite der Probe (P) und andererseits unmittelbar angrenzend an letztere und/oder in Strahlrichtung der Laserstrahlung gesehen unmittelbar vor letzterer,
• orthogonal zur Hauptachse des Strahlengangs des Lasers (1) vor der Auftrennung in die beiden Strahlenbündel (LI, L2), orthogonal zur Probennormalen und/oder orthogonal zur Hauptachse eines der beiden Strahlenbündel (LI, L2) und/oder
• parallel zu einer mit den beiden interferierenden Strahlenbündeln (LI, L2) bestrahlten und hierdurch zu strukturierenden Oberfläche (OP) der Probe (P) positioniert ist/sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strahlenbündel (LI, L2) in der zweiten Raumrichtung (x) divergent sind, wobei der Divergenzwinkel (Θ) bevorzugt > 5°, bevorzugt > 10°, bevorzugt > 15° ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftrennanordnung (4) im Strahlengang des Lasers (1) nicht nur nach der Fokussieranordnung (2), sondern auch vor dem Probenvolumen (3) und/oder der Probe (P) positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Bewegungseinheit (9), insbesondere einen Verschiebetisch, einen Drehtisch, ein Förderband oder eine rollenbasierte Transportvorrichtung, mit der/dem die Probe (P) oder Abschnitte derselben und/oder mindestens eine der Projektionsmasken (6, 6a, 6b) relativ zum Strahlengang des Lasers (1) und/oder relativ zu den beiden Strahlenbündeln (LI, L2) bewegbar ist/sind, bevorzugt parallel zur ersten Raumrichtung (y) bewegbar ist/sind, und/oder dadurch, dass die Fokussieranordnung (2) und/oder die
Auftrennanordnung (4) oder zumindest Teile mindestens einer dieser beiden Anordnungen (2, 4) dazu ausgebildet ist/sind, die Laserstrahlung (L) und/oder die beiden aus dieser hervorgehenden Strahlenbündel (LI, L2) relativ zur feststehend angeordneten Probe (P) und relativ zu mindestens einer feststehend angeordneten Projektionsmaske (6, 6a, 6b) auszulenken, bevorzugt parallel zur ersten Raumrichtung (y) auszulenken und/oder dadurch, dass die Probe (P) nicht flächig ist, sondern zylinder- oder walzenförmig ausgebildet ist. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (P) oder Abschnitte derselben und mindestens eine der, bevorzugt mehrere der Projektionsmasken (6, 6a, 6b) mittels der Bewegungseinheit (9) parallel zueinander und entweder mit derselben Bewegungsgeschwindigkeit oder mit zumindest teilweise unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeiten bewegbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieranordnung (2) eine strahlquerschnittverändernde Fokussieranordnung (10), insbesondere ein Teleskop, ist, mit der/dem die Laserstrahlung (L) nicht nur in der ersten Raumrichtung (y) fokus- siert in das Probenvolumen (3) abbildbar ist, sondern darüber hinaus auch hinsichtlich ihres Strahlquerschnitts veränderbar, bevorzugt aufweitbar ist, wobei bevorzugt die Laserstrahlung (L) mit der als strahlquerschnitt- verändernder Fokussieranordnung (10) ausgebildeten
Fokussieranordnung (2) hinsichtlich ihres Strahlquerschnitts in zwei zueinander nicht parallelen, bevorzugt zueinander orthogonalen Raumrichtungen veränderbar, bevorzugt aufweitbar ist, wobei diese beiden Raumrichtungen bevorzugt die erste Raumrichtung (y) und die zweite Raumrichtung (x) sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftrennanordnung (4)
« mindestens eine Zylinderlinse (11) aufweist zum Aufweiten der Laserstrahlung (L) oder der beiden Strahlenbündel (LI, L2) in der zweiten Raumrichtung (x), • einen Strahlteiler (12), insbesondere einen halbdurchlässigen Spiegel, aufweist zum Auftrennen der Laserstrahlung (L) in die zwei Strahlenbündel (LI, L2) und/oder
• ein oder mehrere Reflexionselement(e) (13a, 13b, 13c), insbesondere Planspiegel, aufweist, um die beiden Strahlenbündel (LI, L2) so auf das Probenvolumen (3) zu richten, dass sie innerhalb des Probenvolumens (3) in dem Interferenzbereich (5) interferieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen im Ultravioletten, im Sichtbaren oder im Infraroten emittierenden, gepulsten Laser (1), bevorzugt einen Festkörperlaser mit einer Wellenlänge in UV Bereich, und/oder einen Laser (1) mit einer Energie je Laserpuls zwischen 1 nJ und 50 J, mit einer Pulswiederholrate von größer gleich 1 Hz und/oder kleiner gleich 100 MHz, bevorzugt größer gleich 1 kHz und/oder kleiner gleich 50 kHz, und/oder mit einer Pulshalbwertsbreite zwischen 1 fs und 100 ms und/oder einen Laser (1) mit Pulsen mit einer Pulsdauer von größer gleich 0.01 ns und/oder kleiner gleich 1000 ns, bevorzugt größer gleich 6 ns und/oder kleiner gleich 100 ns.
Verfahren zur Interferenzstrukturierung einer Probe (P), wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird. Interferenzstrukturiertes Probensubstrat (P), insbesondere Metall-, Keramik- oder Kunststoffsubstrat oder Metall-, Keramik- oder Kunst- stoffschicht, hergestellt durch ein Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch.
Interferenzstrukturiertes Probensubstrat (P) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, doss die Periode (a) der in das Probensubstrat (P) eingebrachten Interferenzstruktur in Richtung der zweiten Raumrichtung (x) gesehen zumindest abschnittsweise konstant ist und/oder dass diese eingebrachte Interferenzstruktur relativ zur Senkrechten (Sxy) auf die durch die erste Raumrichtung (y) und die zweite Raumrichtung (x) aufgespannte Struk- turierungsebene (x,y) gesehen zumindest abschnittsweise eine Verkippung (V) aufweist, bevorzugt eine lokal variierende Verkippung (V) aufweist, bevorzugt eine hinsichtlich ihres Verkippungswinkels ( V ) relativ zur Senkrechten (Sxy) auf die Strukturierungsebene (x,y) in Richtung der zweiten Raumrichtung (x) variierende Verkippung (V) aufweist.
Verwendung einer Vorrichtung oder eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Interferenzstrukturieren einer Metalloberfläche oder -schicht, insbesondere einer polierten Metalloberfläche oder -schicht, insbesondere von Edelstahl, einer oxidierten Oberfläche oder einer Oxidschicht, einer Kunststoffoberfläche, insbesondere einer Polymerfolie, einer Keramik, einer Kohlenstoffschicht oder einer Photowiderstandsschicht (Photoresist).
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