WO2023169840A1 - Vorrichtung zum erzeugen einer definierten laserlinie auf einer arbeitsebene - Google Patents

Vorrichtung zum erzeugen einer definierten laserlinie auf einer arbeitsebene Download PDF

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Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a device for generating a defined laser line on a working plane, with a laser light source that is set up to generate a raw laser beam, and with an optical arrangement that receives the raw laser beam and forms an illuminating beam along an optical axis deformed, wherein the illumination beam defines a beam direction that intersects the working plane, the illumination beam in the area of the working plane having a beam profile which has a long axis with a long-axis beam width and a short axis with a short-axis beam width perpendicular to the beam direction, the working plane being relative to the optical arrangement can be moved along a direction of movement in order to process a workpiece with the aid of the illumination beam, and wherein the beam profile has a defined intensity profile over the short-axis beam width, which has a leading edge in the direction of movement, a trailing edge in the direction of movement and an edge between the leading edge and the trailing edge has a plateau, the plateau in the area of the leading edge having a different intensity level than
  • the known device generates a line-shaped laser illumination on a working plane in order to process a workpiece.
  • the workpiece can in particular contain amorphous silicon, which is arranged on a carrier plate.
  • the amorphous silicon is melted line by line using the laser line and converted into polycrystalline silicon when it cools.
  • SLA solid state laser annealing
  • ELA excimer laser annealing
  • a laser line is required on the working plane which is as long as possible in one direction in order to cover the widest possible working surface and which, in comparison, is very short in the other direction in order to provide one for the respective area To provide the required energy density for the process.
  • a long, thin laser line parallel to the working plane is therefore desirable.
  • the direction in which the laser line runs is usually referred to as the long axis and the line thickness as the short axis.
  • the laser line in the area of the working plane should have a defined intensity curve in both axes. It is often desirable for the laser line to have an intensity profile that is as rectangular as possible in the long axis (so-called top hat profile).
  • a top hat profile is also often desired for SLA/ELA applications, which has a leading edge in the direction of movement, a trailing edge in the direction of movement and a plateau that is as flat as possible between the leading edge and the trailing edge.
  • DE 10 2018 115 126 B4 discloses a device for generating such a laser line with an optical arrangement that contains a plate-like formed body made of a material that is transparent to the laser radiation.
  • the forming body has a front side and a parallel back side, each of which has a coating that reflects the laser radiation.
  • An area of the front serves as a light coupling surface and thus provides an input aperture through which a laser beam can be coupled into the forming body.
  • the coupled laser beam is reflected several times in the forming body between the front and the back, with part of the laser beam being able to emerge from the forming body at the back.
  • the coupled-in laser beam thus emerges in segments at the rear, with the respective coupled-out beam segments lying laterally offset from one another and having traveled through different path lengths in the forming body.
  • the coupled laser beam is thereby expanded in a direction that corresponds to the long axis in the further beam path.
  • US 2014/0027417 A1 describes that a modified, so to speak two-stage top hat profile is advantageous for an SLA or ELA process because the formation of the polycrystalline silicon takes place in several successive steps during the relative movement of the laser line and the optimal one Reduce energy density for melting the material during the movement.
  • the laser line is generated in pulses as it moves relative to the workpiece and each section of the workpiece is illuminated with approximately 20 laser pulses during the movement. The laser pulses melt the silicon several times and change its properties.
  • US 2014/0027417 A1 suggests generating the beam profile of the laser line using two raw laser beams that overlap in the area of the working plane.
  • the optical arrangement includes a separate beam path for each of the two raw laser beams.
  • Each of the two beam paths creates a largely top hat-shaped beam profile in the short axis.
  • the two top hat beam profiles are placed offset from one another on the working plane in the direction of the short axis, so that the overall result is a beam profile with a defined step that separates two largely flat plateau sections.
  • a disadvantage of this solution is the very rough two-stage adjustment of the beam profile to the increasing heating of the workpiece as a result of the multiple laser pulses.
  • a device of the type mentioned at the outset is proposed to solve this problem, wherein the optical arrangement has a beam transformer which is set up to divide the raw laser beam into a plurality of beam segments which are in the long axis are arranged next to each other, and wherein the optical arrangement further comprises an optical element which is designed to selectively influence selected beam segments.
  • the new device accordingly has an optical element that makes it possible to specifically change individual beam segments from the large number of beam segments at the output of the beam transformer, while other beam segments from the large number of beam segments remain largely unaffected.
  • the optical element is set up to specifically change the intensity of the individual beam segments.
  • the change can be a reduction in the intensity of the individual beam segments compared to their intensity without the optical element, in particular a reduction or even a blanking out of individual beam segments.
  • the change can lead to a changed intensity profile of individual beam segments, such as a selective reversal/mirroring of the intensity profile.
  • the advantage here is that the change does not affect all beam segments at the output of the beam transformer in the same way.
  • the optical element is designed to change some beam segments at the output of the beam transformer in a different way than other beam segments at the output of the same beam transformer.
  • the optical element therefore contributes to influencing the ratio of the beam segments at the output of the beam transformer relative to one another or to change. This has an impact on the intensity curve, which results from the known superposition of the beam segments in the beam path.
  • the illumination beam is here preferably generated in pulses, in particular in that the laser light source emits the raw laser beam in pulses. Regardless of this, the new device makes it possible to generate a beam profile with an intensity curve in the short axis that falls largely linearly from a higher first level to a lower second level.
  • the optical element is therefore set up to selectively change the beam segments in the short axis so that the intensity curve of the beam profile in the area of the leading edge in the direction of movement has a higher intensity level than in the area of the trailing edge, so that a defined Point of the workpiece surface can be illuminated during the relative movement with temporally successive laser pulses, the intensity and fluence of which decreases.
  • the new device it is also possible to realize an intensity curve in the short axis that increases from the leading edge to the trailing edge by selectively changing the beam segments at the output of the beam transformer.
  • the intensity curve of the beam profile of the new device resembles a lean-to roof in the preferred exemplary embodiments.
  • a pent roof is a roof shape with only one sloping roof surface.
  • the beam profile here preferably has a pitched roof-shaped intensity curve in the short axis.
  • the plateau is therefore preferably step-free. It is clear to the experts that in reality the intensity curve is not ideally linear/flat, but can have small waves and ripples in the plateau that is inclined against the direction of movement. Small waves and ripples are unavoidable due to diffraction effects and manufacturing tolerances. However, the waves and ripples here are small compared to the height of the plateau and can be ignored in an idealized view.
  • the waves and ripples are less than 10%, preferably less than 5%, based on the intensity level of the plateau. Accordingly, in preferred embodiments of the new device, the plateau falls on average counter to the direction of movement continuously, especially when considering a regression line drawn by the waves and ripples.
  • the decreasing intensity curve is achieved here by a selective, therefore non-uniform influence on the beam segments at the output of the beam transformer.
  • the beam transformer as such is known, for example, from the above-mentioned DE 10 2018 115 126 B4 and is referred to there as a forming body.
  • What is new is the targeted, non-uniform modification of beam segments at the output of the beam transformer and the resulting modification of the beam profile in the area of the working plane.
  • the optical element of the new device makes it possible to modify the illumination intensity and fluence over the short axis in a very large adjustment range . In preferred embodiments, this is possible with very low power losses or even without any power losses.
  • the optical element is set up to generate the plateau with an intensity level that on average continuously decreases against the direction of movement
  • the largely linear drop of the plateau which is inclined against the direction of movement, means that the fluence of pulsed laser illumination decreases with each additional laser console. This reduces the heat input into the workpiece from one laser pulse to the next.
  • the optical element is displaceable transversely to the optical axis.
  • the optical element is arranged in the beam path after the beam transformer and is displaceable in the direction of the long axis. In other exemplary embodiments, the optical element is arranged in the beam path in front of the beam transformer and is preferably displaceable in the direction of the short axis. In all exemplary embodiments of this embodiment, the optical element can be used specifically to influence individual beam segments at the output of the beam transformer, for example to completely or partially mask them out or to selectively modify them in some other way. The modified beam segments no longer contribute to the beam profile in the area of the working plane or in a different way. Accordingly, this configuration changes the intensity curve in the short axis in a very simple and cost-effective manner. The ability to move offers new flexibility and makes it possible to optimally adjust the beam profile for the desired processing.
  • the optical element is set up to reflect selected beam segments from the plurality of beam segments about the long axis.
  • the mirroring around the long axis here means that the selected beam segments are reflected around an axis in the area of the beam transformer, which runs parallel to the long axis.
  • the design has the advantage that the beam segments can be changed largely or even completely without loss.
  • Investigations by the applicant have shown that the beam segments at the output of the beam transformer often have a segment-specific intensity curve that is asymmetrical along the short axis.
  • a mirroring of the respective intensity curve of the selected beam segments with respect to the long axis leads to a reversal of the asymmetrical segment-specific intensity curve and thus to a very efficient change in the beam profile in the area of the working plane.
  • the optical element includes a prism, in particular a Dove prism.
  • This configuration enables an efficient and spatially compact implementation of the optical element of the new device. As a result, this configuration is well suited to retrofitting existing devices of the type described above.
  • the optical element includes a lens set with an intermediate focus.
  • This configuration enables a very individual and precise influence on the output-side beam segments of the beam transformer.
  • the optical element includes a set of mirrors.
  • This configuration enables a very compact and precise influencing of the output-side beam segments of the beam transformer.
  • the optical element includes a diaphragm.
  • a cover can be easily retrofitted and can be moved and/or opened quickly and easily.
  • the optical element is arranged downstream of the beam transformer.
  • optical element is arranged upstream of the beam transformer.
  • This configuration enables cost-effective and compact integration of the optical element into the beam path of the new device.
  • the laser light source includes a pumped solid-state laser and a control unit that controls the pumped solid-state laser depending on the optical element.
  • control unit is set up to optimally adapt the pulse repetition rate of the laser light source to the set plateau inclination in order to keep the workpiece surface in the desired process window with high accuracy.
  • FIG. 1a shows a simplified and schematic representation of the short-axis beam path in various exemplary embodiments of the new device
  • 1b shows a simplified representation of the beam profile in the area of the working plane according to exemplary embodiments of the new device
  • 1c shows a simplified representation of a beam transformer to explain exemplary embodiments of the new device
  • 2a shows the heating of a workpiece increasing over time during pulsed illumination with locally overlapping laser pulses of the same fluence
  • FIG. 2b shows the locally overlapping laser pulses in the situation according to FIG. 2a when the workpiece moves relative to the beam profile
  • FIG. 2c shows a situation similar to that in FIG. 2a with pulsed illumination with locally overlapping laser pulses of decreasing fluence
  • FIG. 2d shows the locally overlapping laser pulses in exemplary embodiments of the new device in the situation corresponding to FIG. 2b
  • 3a shows a simplified representation of the optical element in an exemplary embodiment of the new device
  • Fig. 3b is a simplified representation of the optical element in another
  • Fig. 3c is a simplified representation of the optical element in another
  • Fig. 5 shows a simplified representation of the optical element in another
  • an exemplary embodiment of the new device is designated in its entirety by reference number 10.
  • the device 10 generates a laser line 12 in the area of a working plane 14 in order to process a workpiece 16, which is placed here in the area of the working plane 14.
  • the laser line 12 runs here in the direction of an x-axis (Fig. 1b) and the line width is considered here in the direction of the y-axis.
  • the x-axis hereinafter denotes the long axis
  • the y-axis denotes the short axis of the beam profile 18 formed on the working plane 14 (FIG. 1b).
  • the workpiece 16 may contain a layer of amorphous silicon, which is melted using the laser line 12 and converted into polycrystalline silicon.
  • Fig. 1a shows the device 10 in a simplified and schematic representation of the short-axis beam path, which forms the short axis of the laser line. Accordingly, the laser line 12 is only visible as a point in the “side view” of FIG. 1a (along the x-axis). To process the workpiece 16, the laser line 12 can be moved relative to the workpiece 16 in the direction of the arrow 20.
  • the device 10 has a laser light source 22, which can be, for example, a solid-state laser that generates laser light in the infrared range or in the UV range.
  • the laser light source 22 may include an Nd:YAG laser with a wavelength in the range of 1030 nm.
  • the laser light source 22 may include diode lasers, excimer lasers, or solid-state lasers that generate laser light with wavelengths between 150 nm and 360 nm, 500 nm and 530 nm, or 900 nm to 1070 nm.
  • the laser light source 22 emits a raw laser beam 24, which can be coupled into an optical arrangement 26, for example via a glass fiber.
  • the device can have several laser sources 22, each of which generates one or more raw laser beams 24 and couples them into the optical arrangement 26. For the sake of simplicity, only one raw laser beam 24 is mentioned below.
  • the raw laser beam 24 is transformed with the optical arrangement 26 into an illumination beam 28, which defines a beam direction 29.
  • the beam direction 29 intersects the working plane 14.
  • the optical arrangement 26 includes a beam transformer 30, which expands the raw laser beam 24 in the x-direction (corresponding to the long axis).
  • the beam transformer 30 can be implemented in preferred embodiments as follows Beam transformer, which is described in detail in the aforementioned DE 102018 115 126 B4 or also in WO 2018/019374 A1. Accordingly, DE 102018 115 126 B4 and WO 2018/019374 A1 are incorporated by reference here in relation to the beam transformer and also in relation to further details of the optical arrangement, such as in particular the long-axis beam shaping, which is only shown in simplified form here.
  • the beam transformer 30 here has a transparent, preferably monolithic, plate-shaped element for the raw laser beam 24 with a front side 32 and a back side 34, which are essentially parallel to one another.
  • the plate-shaped element can be arranged at an acute angle to the raw laser beam 24, so that the raw laser beam is coupled obliquely into the plate-shaped element.
  • the front side 32 and the back side 34 each have a reflective coating here, so that the raw laser beam 24, which is coupled obliquely into the plate-shaped element on the front side 32, experiences multiple reflections in the plate-shaped element. In this case, a partial segment of the raw laser beam 24 is coupled out on the back 34.
  • the respective decoupled partial segments emerge from the rear side 34 of the beam transformer laterally offset from one another, as in FIG. 1c. is shown schematically. 1c shows an example of how 4 parallel raw laser beams 24 are coupled into the front side 32 of the beam transformer. On the back 34, a large number of beam segments 36a, 36b emerge from the beam transformer laterally offset from one another in the direction of the long axis. Overall, a raw laser beam 24 coupled in at the front 32 is thus fanned out into beam segments 36a, 36b, ..., which are arranged side by side in the direction of the long axis.
  • the optical arrangement 26 contains a long-axis optics, not shown in detail here, which shapes the raw laser beam 24, which is fanned out into beam segments 36a, 36b... in the long axis.
  • the long-axis optics can contain one or more microlens arrays 38, 40, which extend in the x direction and, in preferred embodiments, together with a Fourier lens 42 form an imaging homogenizer.
  • the long-axis optics 38, 40, 42 mixes and superimposes the beam segments 36a, 36b... and advantageously produces a top hat intensity profile in the long axis, as shown in simplified form in FIG. 1b.
  • the optical arrangement 26 further includes a number of optical elements which shape the expanded raw laser beam in the short axis and focus it onto the working plane 14.
  • the optical arrangement 26 includes an objective lens 44 which focuses the illumination beam 28 onto the working plane 14.
  • the optical arrangement 26 can include further lens and/or mirror elements (not shown here), which in particular implement a telescope arrangement and/or a mirror folding (not shown here).
  • the optical arrangement 26 forms an optical axis 46, which can be folded differently from the simplified representation in FIG. 1c.
  • the optical elements of the long-axis optics and the short-axis optics are arranged along the optical axis 46.
  • the optical arrangement 26 is set up to generate the illumination beam 28 with a defined beam profile 18 in the area of the working plane 14.
  • Fig. 1b shows an advantageous beam profile 18 in an idealized representation.
  • the beam profile 18 describes the intensity I of the laser radiation on the working plane 14 depending on the respective positions along the x-axis and the y-axis.
  • the beam profile 18 forms a laser line with a long axis with a long axis beam width in the x direction and a short axis with a short axis beam width in the y direction.
  • the short-axis beam width can be defined, for example, as the full width at half maximum (FWHM) or as the width between the 90% intensity values (Full Width at 90% Maximum, FW@90%).
  • the beam profile 18 here has a pent roof profile in the short axis with a first flank 48, a second flank 50 and a plateau 52, which here slopes continuously from the first flank 48 to the second flank 50.
  • the plateau 52 drops substantially linearly from the first edge 48 to the second edge 50 by an amount corresponding to a decrease in fluence of between 5% and 70%, in some preferred embodiments a decrease in fluence of at least 10%.
  • the beam profile 18 is moved parallel to the y-axis relative to the working plane 14 for machining a workpiece 16.
  • the workpiece 16 is arranged on a table that can move in the y direction. Accordingly, the first flank 48 advances in the direction of movement 20, the second flank 50 trails in the direction of movement 20 (FIG. 1b).
  • the plateau 52 is inclined against the direction of movement 20 and, in a view parallel to the x-axis, is pent roof-shaped.
  • the short-axis beam profile 18 in FIG. 1a is shown very enlarged for illustration purposes.
  • the short-axis beam width FWHM is in a range between 50 m and 150 m.
  • the long axis beam width can be between 20mm and 1200mm in exemplary embodiments.
  • the device 10 During operation, the device 10 generates the beam profile 18 in the area of the working plane 14 in pulses by a controller 54 correspondingly controlling the laser light source in pulses.
  • a controller 54 correspondingly controlling the laser light source in pulses.
  • Figs. 2a to 2d shows the effect that can be achieved by the pulsed beam profile 18 of the device 10.
  • the laser pulses of the device 10 spatially overlap along the y-axis when the beam profile 18 is moved relative to the workpiece in the short axis direction.
  • 2a and 2b show the case for a top hat with a flat, non-inclined plateau 52. From laser pulse to laser pulse, the beam profile 18 is offset by dy along the direction of movement. Every point on the workpiece is illuminated by N>1 laser pulses.
  • Figure 2a shows the sequential temperature rise across successive laser pulses. In the top hat profile according to FIG. 2b, the fluence with which the workpiece location is illuminated successively with each laser pulse is largely constant.
  • 2c and 2d show a strategy to reduce the temperature input over N>1 pulses.
  • An example is shown in which the beam profile has a plateau 52 that slopes relatively steeply against the direction of movement over the short axis.
  • the fluence with which the workpiece location is illuminated decreases from laser pulse to laser pulse.
  • the temperature input in this case the maximum temperature, remains largely constant.
  • the respective process can be advantageously optimized by appropriately setting the plateau steepness dE, line offset dy and laser pulse repetition rate.
  • the Figs. 3a to 3c show exemplary embodiments of an optical element 56, which can be arranged in the beam path after the beam transformer 30 of the device 10 (FIG. 1a) in order to selectively influence the beam segments 36a, 36b at the output of the beam transformer 30 and thus change them relative to one another .
  • the optical element 56a is a prism, in particular a Dove prism.
  • a Dove prism can be understood as an isosceles, right-angled prism in which the optically ineffective area is cut off. Accordingly, when viewed from the side, a Dove prism has the surface of a trapezoid with side surfaces inclined by 45°.
  • a beam segment running along the longitudinal axis of the prism hits one of the inclined incident surfaces, it is first refracted into the prism and directed to the longest side of the prism. There the beam segment is totally reflected and refracted again in the inclined exit surface.
  • the entering and exiting beam segments are aligned with each other, but are mirrored by a straight line transverse to the beam direction due to the reflection in the prism.
  • the same effect can also be achieved with an untruncated triangular prism, which acts like a Dove prism and is therefore also considered here as a Dove prism.
  • the prism 56a is displaceable relative to the optical axis 46, as indicated by an arrow in FIG. 1a.
  • the prism 56a is displaceable parallel to the long axis (x-axis), so that selected beam segments 36a, 36b can be selectively mirrored with respect to the long axis using the prism 56a. In this way, an asymmetrical intensity curve of a selected beam segment can be changed.
  • the optical element 56b includes a lens set with lens elements 60a, 60b with which selected beam segments can be mirrored.
  • the optical element 56c includes a mirror set with mirror elements 62a, 62b, 62c to reflect and thereby influence selected beam segments relative to the long axis.
  • the Figs. 4a to 4c show further exemplary embodiments for an optical element 56, which can be arranged in the beam path after the beam transformer 30 of the device 10 (FIG. 1a), and/or for an optical element 58, which is in the beam path in front of the beam transformer 30 of the device 10 (Fig. 1a) can be arranged.
  • optical elements 56, 58 of the type shown here are also possible in order to selectively change beam segments 36a, 36b.
  • this is advantageously arranged between the beam transformer 30 and the homogenizer, which contains the microlens arrays 38, 40 in the device from FIG. 1a.
  • the optical element 56 includes one or more diaphragms 56d, which can optionally be pushed from one and/or the other side transversely to the optical axis 46 in front of selected beam segments.
  • the one or more apertures 56d are preferably displaceable parallel to the long axis in order to completely or partially mask out selected beam segments 36a, 36b.
  • the optical element 58 includes one or more apertures 58a, which can optionally be pushed transversely to the optical axis 46 from one and/or the other side, by one or more Raw laser beam 24, which is coupled into the beam transformer 30, to be completely or partially hidden.
  • the one or more apertures 58a are displaceable parallel to the short axis in order to completely or partially change selected beam segments 36a, 36b.
  • the raw laser beam initially has a Gaussian beam profile in the short axis, as indicated at reference number 64.
  • the optical element 58b the raw laser beam 24 is reshaped so that it receives an asymmetrical beam profile in the short axis corresponding to reference number 66.
  • the asymmetrical beam profile 66 of the raw laser beam 24 coupled into the beam transformer 30 leads to modified beam segments 36a, 36b at the output of the beam transformer 30.
  • the optical element 58b includes a combination of one or more aspherical and one or more spherical lenses.

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie (12) auf einer Ärbeitsebene (14) besitzt eine Laserlichtquelle (22), die dazu eingerichtet ist, einen Laserrohstrahl (24) zu erzeugen, und eine optische Anordnung (26), die den Laserrohstrahl (24) aufnimmt und entlang einer optischen Achse (46) zu einem Beleuchtungsstrahl (28) umformt. Der Beleuchtungsstrahl (28) definiert eine Strahlrichtung (29), die die Arbeitsebene (14) schneidet und besitzt im Bereich der Arbeitsebene (14) ein Strahlprofil (18), das senkrecht zu der Strahlrichtung (29) eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahl breite aufweist. Das Strahlprofil (18) ist relativ zu der Arbeitsebene (14) entlang einer Bewegungsrichtung (20) bewegbar, um ein Werkstück (16) mit Hilfe des Beleuchtungsstrahls (28) zu bearbeiten. Das Strahlprofil (18) besitzt über der Kurzachsstrahlbreite einen definierten Intensitätsverlauf, der eine in Bewegungsrichtung (20) vorlaufende Flanke (48), eine in Bewegungsrichtung (20) nachlaufende Flanke (50) und ein zwischen der vorlaufenden Flanke (48) und der nachlaufenden Flanke (50) liegendes Plateau (52) hat. Das Plateau (52) weist im Bereich der vorlaufenden Flanke (48) einen anderen Intensitätslevel auf als im Bereich der nachlaufenden Flanke (50) Die optische Anordnung (26) weist ferner einen Strahltransformator (30) auf, der dazu eingerichtet ist, den Laserrohstrahl (24) in eine Vielzahl von Strahlsegmenten (36a, 36b) zu teilen, die in der langen Achse nebeneinander angeordnet sind. Außerdem weist die optische Anordnung (26) ein optisches Element (56; 58) auf, das dazu eingerichtet ist, ausgewählte Strahlsegmente (36a, 36b) selektiv zu beeinflussen.

Description

Anmelder:
TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH
Johann-Maus-Str. 2
71254 Ditzingen
Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene, mit einer Laserlichtguelle, die dazu eingerichtet ist, einen Laserrohstrahl zu erzeugen, und mit einer optischen Anordnung, die den Laserrohstrahl aufnimmt und entlang einer optischen Achse zu einem Beleuchtungsstrahl umformt, wobei der Beleuchtungsstrahl eine Strahlrichtung definiert, die die Arbeitsebene schneidet, wobei der Beleuchtungsstrahl im Bereich der Arbeitsebene ein Strahlprofil besitzt, das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweist, wobei die Arbeitsebene relativ zu der optischen Anordnung entlang einer Bewegungsrichtung bewegbar ist, um ein Werkstück mit Hilfe des Beleuchtungsstrahls zu bearbeiten, und wobei das Strahlprofil über der Kurzachsstrahlbreite einen definierten Intensitätsverlauf aufweist, der eine in Bewegungsrichtung vorlaufende Flanke, eine in Bewegungsrichtung nachlaufende Flanke und ein zwischen der vorlaufenden Flanke und der nachlaufenden Flanke liegendes Plateau besitzt, wobei das Plateau im Bereich der vorlaufenden Flanke einen anderen Intensitätslevel aufweist als im Bereich der nachlaufenden Flanke. [0002] Eine solche Vorrichtung ist dem Grunde nach aus US 2014/0027417 A1 bekannt.
[0003] Die bekannte Vorrichtung erzeugt eine linienförmige Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene, um ein Werkstück zu bearbeiten. Das Werkstück kann insbesondere amorphes Silizium beinhalten, das auf einer Trägerplatte angeordnet ist. Das amorphe Silizium wird mit Hilfe der Laserlinie zeilenweise aufgeschmolzen und beim Abkühlen zu polykristallinem Silizium umgewandelt. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als Solid State Laser Annealing (SLA) oder Excimer Laser Annealing (ELA) bezeichnet.
[0004] Für eine solche Anwendung wird eine Laserlinie auf der Arbeitsebene benötigt, die in der einen Richtung möglichst lang ist, um eine möglichst breite Arbeitsfläche zu erfassen, und die im Vergleich dazu in der anderen Richtung sehr kurz ist, um eine für den jeweiligen Prozess benötigte Energiedichte bereitzustellen. Wünschenswert ist dementsprechend eine lange, dünne Laserlinie parallel zu der Arbeitsebene. Man bezeichnet die Richtung, in der die Laserlinie verläuft, üblicherweise als lange Achse und die Liniendicke als kurze Achse. In der Regel soll die Laserlinie im Bereich der Arbeitsebene in beiden Achsen einen definierten Intensitätsverlauf aufweisen. Wünschenswert ist häufig, dass die Laserlinie in der langen Achse ein möglichst rechteckiges Intensitätsprofil besitzt (sogenanntes Top Hat Profil). In der kurzen Achse wird für SLA/ELA Anwendungen ebenfalls häufig ein Top Hat Profil gewünscht, das eine in Bewegungsrichtung vorlaufende Flanke, eine in Bewegungsrichtung nachlaufende Flanke und ein zwischen der vorlaufenden Flanke und der nachlaufenden Flanke liegendes, möglichst ebenes Plateau besitzt.
[0005] DE 10 2018 115 126 B4 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung einer solchen Laserlinie mit einer optischen Anordnung, die einen plattenartigen Umformkörper aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material beinhaltet. Der Umformkörper besitzt eine Vorderseite und eine parallel angeordnete Rückseite, die jeweils eine die Laserstrahlung reflektierende Beschichtung aufweisen. Ein Bereich der Vorderseite dient als Lichteinkoppelfläche und stellt somit eine Eingangsapertur bereit, durch die ein Laserstrahl in den Umformkörper eingekoppelt werden kann. Der eingekoppelte Laserstrahl wird in dem Umformkörper zwischen der Vorderseite und der Rückseite mehrfach reflektiert, wobei an der Rückseite jeweils ein Teil des Laserstrahls aus dem Umformkörper austreten kann. Der eingekoppelte Laserstrahl tritt somit segmentweise an der Rückseite aus, wobei die jeweils ausgekoppelten Strahlsegmente seitlich versetzt zueinander liegen und voneinander verschiedene Pfadlängen in dem Umformkörper durchlaufen haben. Der eingekoppelte Laserstrahl wird dadurch in einer Richtung aufgeweitet, die im weiteren Strahlengang der langen Achse entspricht.
[0006] US 2014/0027417 A1 beschreibt, dass ein modifiziertes, gewissermaßen zweistufiges Top Hat Profil für einen SLA bzw. ELA Prozess vorteilhaft sei, weil die Bildung des polykristallinen Siliziums bei der Relativbewegung der Laserlinie in mehreren aufeinander folgenden Schritten erfolge und sich die optimale Energiedichte zum Aufschmelzen des Materials im Verlauf der Bewegung reduziere. Die Laserlinie wird bei ihrer Bewegung relativ zu dem Werkstück pulsweise erzeugt und jeder Abschnitt des Werkstücks wird während der Bewegung mit etwa 20 Laserpulsen beleuchtet. Durch die Laserpulse werde das Silizium mehrfach aufgeschmolzen und verändere seine Eigenschaften. US 2014/0027417 A1 schlägt aus diesem Grund vor, das Strahlprofil der Laserlinie mit Hilfe von zwei Laserrohstrahlen zu erzeugen, die sich im Bereich der Arbeitsebene überlagern. Die optische Anordnung beinhaltet für jeden der beiden Laserrohstrahlen einen eigenen Strahlengang. Jeder der beiden Strahlengänge erzeugt ein weitgehend Top Hat förmiges Strahlprofil in der kurzen Achse. Die beiden Top Hat Strahlprofile sind in Richtung der kurzen Achse versetzt zueinander auf der Arbeitsebene platziert, so dass insgesamt ein Strahlprofil mit einer definierten Stufe resultiert, die zwei weitgehend ebene Plateauabschnitte trennt. Ein Nachteil dieser Lösung ist die nur recht grobe zweistufige Anpassung des Strahlprofils an die zunehmende Erwärmung des Werkstücks infolge der mehrfachen Laserpulse.
[0007] Die nachveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 10 2020 126 269.8 beschreibt eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, wobei die optische Anordnung derart justiert ist, dass das Plateau einen im Mittel kontinuierlich abfallenden Intensitätslevel erhält. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem eine werkstückseitige Objektivlinse außermittig mit dem umgeformten, aufgeweiteten und homogenisierten Laserrohstrahl beleuchtet wird. Allerdings ist die erreichbare Plateausteilheit bei dieser Vorrichtung begrenzt und eher gering. Für manche Anwendungen ist ein steiler abfallendes Plateau wünschenswert, um eine optimale Anpassung der Beleuchtungsintensität und Fluenz an einer jeden Stelle des Werkstücks bei aufeinanderfolgenden Laserpulsen zu ermöglichen.
[0008] Angesichts dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die es auf alternative Weise möglich macht, ein Strahlprofil mit einem definierten, von einem Top Hat Profil abgeleiteten Intensitätsverlauf über der kurzen Achse zu erzeugen. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, eine im zeitlichen Verlauf angepasste Energiedichte bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit Hilfe einer gepulsten Laserlinie bereitzustellen.
[0009] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zur Lösung dieser Aufgabe eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, wobei die optische Anordnung einen Strahltransformator aufweist, der dazu eingerichtet ist, den Laserrohstrahl in eine Vielzahl von Strahlsegmenten zu teilen, die in der langen Achse nebeneinander angeordnet sind, und wobei die optische Anordnung ferner ein optisches Element aufweist, das dazu eingerichtet ist, ausgewählte Strahlsegmente selektiv zu beeinflussen.
[0010] Die neue Vorrichtung besitzt dementsprechend ein optisches Element, das es möglich macht, einzelne Strahlsegmente aus der Vielzahl von Strahlsegmenten am Ausgang des Strahltransformators gezielt zu verändern, während andere Strahlsegmente aus der Vielzahl von Strahlsegmenten weitgehend unbeeinflusst bleiben. Insbesondere ist das optische Element dazu eingerichtet, die Intensität der einzelnen Strahlsegmente gezielt zu verändern. Die Veränderung kann eine Reduzierung der Intensität der einzelnen Strahlsegmente im Vergleich zu ihrer Intensität ohne das optische Element sein, insbesondere eine Reduzierung bis hin zu einer Ausblendung einzelner Strahlsegmente. Alternativ oder ergänzend kann die Veränderung zu einem geänderten Intensitätsverlauf einzelner Strahlsegmente führen, etwa eine selektive Umkehrung/Spiegelung des Intensitätsverlaufs. Vorteilhaft ist hier, dass sich die Veränderung nicht in gleicher Weise auf alle Strahlsegmente am Ausgang des Strahltransformators auswirkt. Vielmehr ist das optische Element dazu eingerichtet, einige Strahlsegmente am Ausgang des Strahltransformators auf andere Weise zu verändern als andere Strahlsegmente am Ausgang desselben Strahltransformators. Das optische Element trägt folglich dazu bei, das Verhältnis der Strahlsegmente am Ausgang des Strahltransformators relativ zueinander zu beeinflussen bzw. zu verändern. Dies hat Auswirkung auf den Intensitätsverlauf, der sich durch die im Strahlengang nachfolgende und an sich bekannte Überlagerung der Strahlsegmente ergibt.
[0011] Ebenso bei der eingangs genannten Vorrichtung wird der Beleuchtungsstrahl hier vorzugsweise pulsweise erzeugt, insbesondere indem die Laserlichtquelle den Laserrohstrahl pulsweise aussendet. Unabhängig davon macht es die neue Vorrichtung aber möglich, ein Strahlprofil mit einem Intensitätsverlauf in der kurzen Achse zu erzeugen, der weitgehend linear von einem höheren ersten Niveau auf ein niedrigeres zweites Niveau abfällt. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das optische Element folglich dazu eingerichtet, die Strahlsegmente in der kurzen Achse selektiv so zu verändern, dass der Intensitätsverlauf des Strahlprofils im Bereich der in Bewegungsrichtung vorlaufenden Flanke ein höheres Intensitätsniveau aufweist als im Bereich der nachlaufenden Flanke, so dass eine definierte Stelle der Werkstückoberfläche während der Relativbewegung mit zeitlich aufeinander Laserpulsen beleuchtet werden kann, deren Intensität und Fluenz abnimmt. Prinzipiell ist es mit der neuen Vorrichtung auch möglich, einen Intensitätsverlauf in der kurzen Achse zu realisieren, der von der vorlaufenden Flanke zur nachlaufenden Flanke ansteigt, indem die Strahlsegmente am Ausgang des Strahltransformators selektiv verändert werden.
[0012] Der Intensitätsverlauf des Strahlprofils der neuen Vorrichtung ähnelt in den bevorzugten Ausführungsbeispielen einem Pultdach. Ein Pultdach ist bei Gebäuden eine Dachform mit nur einer geneigten Dachfläche. Dementsprechend besitzt das Strahlprofil hier vorzugsweise einen pultdachförmigen Intensitätsverlauf in der kurzen Achse. Vorzugsweise ist das Plateau also stufenfrei. Dabei ist den Fachleuten klar, dass der Intensitätsverlauf in der Realität nicht ideal linear/eben ist, sondern kleine Wellen und Rippel in dem entgegen der Bewegungsrichtung geneigten Plateau aufweisen kann. Kleine Wellen und Rippel sind aufgrund von Beugungseffekten und Fertigungstoleranzen unvermeidlich. Die Wellen und Rippel sind hier jedoch klein im Vergleich zu der Höhe des Plateaus und können bei einer idealisierten Betrachtung außer Acht bleiben. In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Wellen und Rippel kleiner als 10%, vorzugsweise kleiner als 5% bezogen auf den Intensitätslevel des Plateaus. Dementsprechend fällt das Plateau in bevorzugten Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung im Mittel entgegen der Bewegungsrichtung kontinuierlich ab, insbesondere bei Betrachtung einer durch die Wellen und Rippel gelegten Regressionsgeraden.
[0013] Anders als bei der Vorrichtung aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 10 2020 126 269.8 wird der abfallende Intensitätsverlauf hier durch eine selektive, mithin uneinheitliche Beeinflussung der Strahlsegmente am Ausgang des Strahltransformators erreicht. Der Strahltransformator als solcher ist beispielswiese aus der oben genannten DE 10 2018 115 126 B4 bekannt und dort als Umformkörper bezeichnet. Neu ist die gezielte, uneinheitliche Modifikation von Strahlsegmenten am Ausgang des Strahltransformators sowie die daraus resultierende Modifizierung des Strahlprofils im Bereich der Arbeitsebene, Das optische Element der neuen Vorrichtung macht es möglich, die Beleuchtungsintensität und Fluenz über der kurzen Achse in einem sehr großen Einstellbereich zu modifizieren. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist dies mit sehr geringen Leistungsverlusten oder soar ohne Leistungsverluste möglich. Vorteilhaft ist es mit Hilfe der selektiven Modifikation der Intensität der Strahlsegmente möglich, das Plateau des Strahlprofils im bereich der Arbeitsebene mit einer Steilheit von mehr als 10% und in den bevorzugten Ausführungsbeispielen bis hin zu 70% der maximalen Fluenz zu neigen. Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
[0014] In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das optische Element dazu eingerichtet, das Plateau mit einem gegen die Bewegungsrichtung im Mittel kontinuierlich abfallenden Intensitätslevel zu erzeugen
[0015] Diese Ausgestaltung macht von den Möglichkeiten, die die neue Vorrichtung bietet, sehr vorteilhaften Gebrauch. Der weitgehend lineare Abfall des gegen die Bewegungsrichtung geneigten Plateaus hat zur Folge, dass die Fluenz einer gepulsten Laserbeleuchtung mit jedem weiteren Laserpult geringer wird. Damit reduziert sich der Wärmeeintrag in das Werkstück von einem Laserpuls zum nächsten. Eine solche Realisierung ist vorteilhaft, um eine zu starke lokale Erwärmung des Werkstücks im Verlauf des Bearbeitungsvorgangs zu vermeiden. [0016] In einer weiteren Ausgestaltung ist das optische Element quer zu der optischen Achse verschiebbar.
[0017] In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist das optische Element im Strahlengang nach dem Strahltransformator angeordnet und in Richtung der langen Achse verschiebbar. In anderen Ausführungsbeispielen ist das optische Element im Strahlengang vor dem Strahltransformator angeordnet und hier vorzugsweise in Richtung der kurzen Achse verschiebbar. In allen Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung kann das optische Element gezielt verwendet werden, um einzelne Strahlsegmente am Ausgang des Strahltransformators zu beeinflussen, etwa ganz oder teilweise auszublenden oder auf andere Weise selektiv zu modifizieren. Die jeweils modifizierten Strahlsegmente tragen nicht mehr oder in veränderter Weise zu dem Strahlprofil im Bereich der Arbeitsebene bei. Dementsprechend verändert diese Ausgestaltung auf sehr einfache und kostengünstige Weise den Intensitätsverlauf in der kurzen Achse. Die Verschiebbarkeit bietet dabei eine neue Flexibilität und macht es möglich, das Strahlprofil für eine gewünschte Bearbeitung optimal einzustellen.
[0018] In einer weiteren Ausgestaltung ist das optische Element dazu eingerichtet, ausgewählte Strahlsegmente aus der Vielzahl von Strahlsegmenten um die lange Achse zu spiegeln.
[0019] Die Spiegelung um die lange Achse bedeutet hier, dass die ausgewählten Strahlsegmente um eine Achse im Bereich des Strahltransformators liegende Spiegelachse gespiegelt werden, die parallel zu der langen Achse verläuft. Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass die Veränderung der Strahlsegmente weitgehend oder gar gänzlich verlustlos erfolgen kann. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass die Strahlsegmente am Ausgang des Strahltransformators häufig einen segmentspezifischen Intensitätsverlauf aufweisen, der entlang der kurzen Achse unsymmetrisch ist. Eine Spiegelung des jeweiligen Intensitätsverlaufs der ausgewählten Strahlsegmente in Bezug auf die lange Achse führt zu einer Umkehrung des asymmetrischen segmentspezifischen Intensitätsverlaufs und damit auf sehr effiziente Weise zu einer Veränderung des Strahlprofils im Bereich der Arbeitsebene. [0020] In einer weiteren Ausgestaltung ist beinhaltet das optische Element ein Prisma, insbesondere ein Dove-Prisma.
[0021] Diese Ausgestaltung ermöglicht eine effiziente und räumlich kompakte Implementierung des optischen Elements der neuen Vorrichtung. Infolgedessen eignet sich diese Ausgestaltung gut, um bestehende Vorrichtungen der eingangs beschriebenen Art nachzurüsten.
[0022] In einer weiteren Ausgestaltung ist beinhaltet das optische Element einen Linsensatz mit einem Zwischenfokus.
[0023] Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr individuelle und präzise Beeinflussung der ausgangsseitigen Strahlsegmente des Strahltransformators.
[0024] In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das optische Element einen Spiegelsatz.
[0025] Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr kompakte und präzise Beeinflussung der ausgangsseitigen Strahlsegmente des Strahltransformators.
[0026] In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das optische Element eine Blende.
[0027] Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige Beeinflussung der ausgangsseitigen Strahlsegmente des Strahltransformators. Zudem kann eine Blende leicht nachgerüstet werden und ist einfach und schnell zu verschieben und/oder zu öffnen.
[0028] In einer weiteren Ausgestaltung ist das optische Element strahlabwärts von dem Strahltransformator angeordnet.
[0029] Diese Ausgestaltung ist einfach zu implementieren. [0030] In einer weiteren Ausgestaltung ist das optische Element strahlaufwärts von dem Strahltransformator angeordnet.
[0031] Diese Ausgestaltung ermöglicht eine kostengünstige und kompakte Integration des optischen Elements in den Strahlengang der neuen Vorrichtung.
[0032] In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Laserlichtquelle einen gepumpten Festkörperlaser und eine Steuereinheit, die den gepumpten Festkörperlaser in Abhängigkeit von dem optischen Element ansteuert.
[0033] In dieser Ausgestaltung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Pulsrepitionsrate der Laserlichtquelle optimal an die eingestellte Plateauneigung anzupassen, um die Werkstückoberfläche mit hoher Genauigkeit in dem gewünschten Prozessfenster zu halten.
[0034] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
[0035] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a eine vereinfachte und schematische Darstellung des Kurzachsstrahlengangs in verschiedenen Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung,
Fig. 1b eine vereinfachte Darstellung des Strahlprofils im Bereich der Arbeitsebene gemäß Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung,
Fig. 1c eine vereinfachte Darstellung eines Strahltransformators zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung, Fig. 2a die über der Zeit zunehmende Aufheizung eines Werkstücks bei einer pulsweisen Beleuchtung mit örtlich überlappenden Laserpulsen gleicher Fluenz,
Fig. 2b die örtlich überlappenden Laserpulse in der Situation gemäß Fig. 2a bei einer Bewegung des Werkstücks relativ zu dem Strahlprofil,
Fig. 2c eine ähnliche Situation wie in Fig. 2a bei einer pulsweisen Beleuchtung mit örtlich überlappenden Laserpulsen abnehmender Fluenz,
Fig. 2d die örtlich überlappenden Laserpulse in Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung in der Situation entsprechend Fig. 2b,
Fig. 3a eine vereinfachte Darstellung des optischen Elements in einem Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung,
Fig. 3b eine vereinfachte Darstellung des optischen Elements in einem weiteren
Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung,
Fig. 3c eine vereinfachte Darstellung des optischen Elements in einem weiteren
Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung,
Fig. 4a-d vereinfachte Darstellungen des optischen Elements in weiteren Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung, und
Fig. 5 eine vereinfachte Darstellung des optischen Elements in einem weiteren
Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung.
[0036] In Fig. 1a ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 erzeugt eine Laserlinie 12 im Bereich einer Arbeitsebene 14, um ein Werkstück 16 zu bearbeiten, das hier im Bereich der Arbeitsebene 14 platziert ist. Die Laserlinie 12 verläuft hier in Richtung einer x-Achse (Fig. 1b) und die Linienbreite wird hier in Richtung der y-Achse betrachtet. Dementsprechend bezeichnet die x-Achse im Folgenden die lange Achse und die y-Achse bezeichnet die kurze Achse des auf der Arbeitsebene 14 gebildeten Strahlprofils 18 (Fig. 1b).
[0037] In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Werkstück 16 eine Schicht amorphes Silizium beinhalten, die mit Hilfe der Laserlinie 12 aufgeschmolzen und zu polykristallinem Silizium umgewandelt wird. Fig. 1a zeigt die Vorrichtung 10 in einer vereinfachten und schematischen Darstellung des Kurzachsstrahlengangs, der die kurze Achse der Laserlinie formt. Dementsprechend ist die Laserlinie 12 in der „Seitenansicht“ der Fig. 1a (entlang der x-Achse) nur als Punkt sichtbar. Zur Bearbeitung des Werkstücks 16 kann die Laserlinie 12 relativ zu dem Werkstück 16 in Richtung des Pfeils 20 bewegt werden.
[0038] Die Vorrichtung 10 besitzt eine Laserlichtquelle 22, die beispielsweise ein Festkörperlaser sein kann, der Laserlicht im Infrarotbereich oder im UV-Bereich erzeugt. Beispielsweise kann die Laserlichtquelle 22 einen Nd:YAG Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von 1030 nm beinhalten. In weiteren Beispielen kann die Laserlichtquelle 22 Diodenlaser, Excimerlaser oder Festkörperlaser beinhalten, die Laserlicht mit Wellenlängen zwischen 150 nm und 360 nm, 500 nm und 530 nm oder 900 nm bis 1070 nm erzeugen.
[0039] Die Laserlichtquelle 22 sendet einen Laserrohstrahl 24 aus, der beispielsweise über eine Glasfaser in eine optische Anordnung 26 eingekoppelt werden kann. Prinzipiell kann die Vorrichtung mehrere Laserquellen 22 aufweisen, die jeweils einen oder mehrere Laserrohstrahlen 24 erzeugen und in die optische Anordnung 26 einkoppeln. Im Folgenden wird der Einfachheit halber nur jeweils ein Laserrohstrahl 24 erwähnt.
[0040] Der Laserrohstrahl 24 wird mit der optischen Anordnung 26 zu einem Beleuchtungsstrahl 28 umgeformt, der eine Strahlrichtung 29 definiert. Die Strahlrichtung 29 schneidet die Arbeitsebene 14.
[0041] Die optische Anordnung 26 beinhaltet einen Strahltransformator 30, der den Laserrohstrahl 24 in der x-Richtung (entsprechend der langen Achse) aufweitet. Der Strahltransformator 30 kann in bevorzugten Ausführungsbeispielen realisiert sein, wie der Strahltransformator, der in der eingangs genannten DE 102018 115 126 B4 oder auch in WO 2018/019374 A1 im Detail beschrieben ist. Dementsprechend sind die DE 102018 115 126 B4 und die WO 2018/019374 A1 hier in Bezug auf den Strahltransformator und auch in Bezug auf weitere Details der optischen Anordnung, wie insbesondere die hier nur vereinfacht dargestellte Langsachsstrahlformung, durch Bezugnahme aufgenommen.
[0042] Entsprechend DE 102018 115 126 B4 und WO 2018/019374 A 1 besitzt der Strahltransformator 30 hier ein für den Laserrohstrahl 24 transparentes, vorzugsweise monolithisches, plattenförmiges Element mit einer Vorderseite 32 und einer Rückseite 34, die im Wesentlichen parallel zueinander stehen. Das plattenförmige Element kann unter einem spitzen Winkel zu dem Laserrohstrahl 24 angeordnet sein, so dass der Laserrohstrahl schräg in das plattenförmige Element eingekoppelt wird. Die Vorderseite 32 und die Rückseite 34 besitzen hier jeweils eine reflektierende Beschichtung, so dass der Laserrohstrahl 24, der an der Vorderseite 32 schräg in das plattenförmige Element eingekoppelt wird, in dem plattenförmigen Element mehrfache Reflexionen erfährt. Dabei wird an der Rückseite 34 jeweils ein Teilsegment des Laserrohstrahls 24 ausgekoppelt. Die jeweils ausgekoppelten Teilsegmente treten an der Rückseite 34 des Strahltransformators seitlich versetzt zueinander aus, wie dies in Fig. 1c. schematisch dargestellt ist. Dabei ist in Fig. 1c beispielhaft dargestellt, wie 4 parallele Laserrohstrahlen 24 an der Vorderseite 32 des Strahltransformators eingekoppelt werden. An der Rückseite 34 treten eine Vielzahl von Strahlsegmenten 36a, 36b seitlich in Richtung der langen Achse versetzt zueinander aus dem Strahltransformator aus. Insgesamt wird ein an der Vorderseite 32 eingekoppelter Laserrohstrahl 24 somit in Strahlsegmente 36a, 36b, ... aufgefächert, die in Richtung der langen Achse seitlich nebeneinander angeordnet sind.
[0043] Die optische Anordnung 26 beinhaltet eine hier nicht im Detail dargestellte Langachsoptik, die den in Strahlsegmente 36a, 36b ... aufgefächerten Laserrohstrahl 24 in der langen Achse formt. Insbesondere kann die Langachsoptik ein oder mehrere Mikrolinsenarrays 38, 40 beinhalten, die sich in x-Richtung erstrecken und in bevorzugten Ausführungsbeispielen zusammen mit einer Fourierlinse 42 einen abbildenden Homogenisierer bilden. Die Langachsoptik 38, 40, 42 mischt und überlagert die Strahlsegmente 36a, 36b ... und erzeugt vorteilhaft ein Top Hat Intensitätsprofil in der langen Achse, wie dies vereinfacht in Fig. 1b dargestellt ist. [0044] Die optische Anordnung 26 beinhaltet ferner eine Anzahl von optischen Elementen, die den aufgeweiteten Laserrohstrahl in der kurzen Achse formen und auf die Arbeitsebene 14 fokussieren. Beispielhaft beinhaltet die optische Anordnung 26 eine Objektivlinse 44, die den Beleuchtungsstrahl 28 auf die Arbeitsebene 14 fokussiert. Die optische Anordnung 26 kann weitere Linsen- und/oder Spiegelelemente (hier nicht dargestellt) beinhalten, die insbesondere eine Teleskopanordnung und/oder eine Spiegelfaltung implementieren (hier nicht dargestellt). Die optische Anordnung 26 bildet eine optische Achse 46, die abweichend von der vereinfachten Darstellung in Fig. 1c gefaltet sein kann. Typischerweise sind die optischen Elemente der Langachsoptik und der Kurzachsoptik entlang der optischen Achse 46 angeordnet.
[0045] Wie bereits angedeutet, ist die optische Anordnung 26 dazu eingerichtet, den Beleuchtungsstrahl 28 mit einem definierten Strahlprofil 18 im Bereich der Arbeitsebene 14 zu erzeugen. Fig. 1b zeigt ein vorteilhaftes Strahlprofil 18 in einer idealisierten Darstellung. Das Strahlprofil 18 beschreibt die Intensität I der Laserstrahlung auf der Arbeitsebene 14 in Abhängigkeit von den jeweiligen Positionen entlang der x-Achse und der y- Achse. Wie dargestellt, bildet das Strahlprofil 18 eine Laserlinie mit einer lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite in x-Richtung und einer kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite in y-Richtung. Die Kurzachsstrahlbreite kann beispielsweise als Halbwertsbreite (Full Width at Half Maximum, FWHM) definiert sein oder als Breite zwischen den 90% Intensitätswerten (Full Width at 90% Maximum, FW@90%). Das Strahlprofil 18 besitzt hier in der kurzen Achse ein Pultdach-Profil mit einer ersten Flanke 48, einer zweiten Flanke 50 und einem Plateau 52, das hier von der ersten Flanke 48 zur zweiten Flanke 50 kontinuierlich abfällt. In bevorzugten Ausführungsbeispielen fällt das Plateau 52 weitgehend linear von der ersten Flanke 48 zur zweiten Flanke 50 um einen Betrag ab, der einer Abnahme der Fluenz zwischen 5% und 70% entspricht, in einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen einer Abnahme der Fluenz von mindestens 10%.
[0046] Wie in Fig. 1a angedeutet ist, wird das Strahlprofil 18 zur Bearbeitung eines Werkstücks 16 parallel zur y-Achse relativ zu der Arbeitsebene 14 bewegt. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Werkstück 16 auf einem Tisch angeordnet, der in y-Richtung verfahren kann. Dementsprechend läuft die erste Flanke 48 in der Bewegungsrichtung 20 vor, die zweite Flanke 50 läuft in der Bewegungsrichtung 20 nach (Fig. 1b). Das Plateau 52 ist entgegen der Bewegungsrichtung 20 geneigt und in einer Ansicht parallel zur x- Achse pultdachförmig. Der guten Ordnung halber sei darauf hingewiesen, dass das Kurzachsstrahlprofil 18 in Fig. 1a zur Illustration sehr stark vergrößert dargestellt ist. In bevorzugten Ausführungsbeispielen liegt die Kurzachsstrahlbreite FWHM in einem Bereich zwischen 50 .m und 150 .m. Die Langachsstrahlbreite kann in Ausführungsbeispielen zwischen 20mm und 1200mm liegen.
[0047] Im Betrieb erzeugt die Vorrichtung 10 das Strahlprofil 18 im Bereich der Arbeitsebene 14 pulsweise, indem eine Steuerung 54 die Laserlichtquelle entsprechend pulsweise ansteuert. In den Figs. 2a bis 2d ist der Effekt dargestellt, der durch das pulsweise erzeugte Strahlprofil 18 der Vorrichtung 10 erreicht werden kann.
[0048] Wie in Fig. 2b und Fig. 2d dargestellt ist, überlappen sich die Laserpulse der Vorrichtung 10 räumlich entlang der y-Achse, wenn das Strahlprofil 18 relativ zu dem Werkstück in Richtung der kurzen Achse bewegt wird. Fig.2a und Fig.2b zeigen den Fall für einen Top Hat mit flachem, nicht-geneigten Plateau 52. Von Laserpuls zu Laserpuls wird das Strahlprofil 18 um dy entlang der Bewegungsrichtung versetzt. Jede Stelle auf dem Werkstück wird hier also von N>1 Laserpulsen beleuchtet. Fig.2a zeigt den sequentiellen Temperaturanstieg, über die aufeinanderfolgenden Laserpulse hinweg. Bei dem Top Hat Profil gemäß Fig. 2b ist die Fluenz, mit der die Werkstückstelle zeitlich aufeinanderfolgend bei jedem Laserpuls beleuchtet wird, weitgehend gleichbleibend. Da die zeitlich späteren Laserpulse auf eine bereits vorgeheizte Werkstückstelle treffen und die Zeit zwischen den aufeinanderfolgenden Laserpulsen nicht ausreicht, dass die Werkstückstelle sich auf die Umgebungstemperatur abkühlen kann, steigt die Werkstücktemperatur zunehmend an. Dies kann zu unerwünschten Kristallisationsprozessen und allgemein zu einer nachteiligen Werkstückqualität führen.
[0049] Fig.2c und Fig.2d zeigen eine Strategie, um den Temperatureintrag über N>1 Pulse hinweg zu reduzieren. Gezeigt ist ein Beispiel, bei dem das Strahlprofil über der kurzen Achse ein gegen die Bewegungsrichtung relativ steil abfallendes Plateau 52 aufweist. Infolgedessen nimmt die Fluenz, mit der die Werkstückstelle beleuchtet wird, von Laserpuls zu Laserpuls, ab. Der Temperatureintrag, in diesem Fall die maximale Temperatur, bleibt weitgehend konstant. Vorteilhaft kann über die passende Einstellung von Plateau- Steilheit dE, Linienversatz dy und Laserpulsrepititionsrate der jeweilige Prozess optimiert werden.
[0050] Die Figs. 3a bis 3c zeigen Ausführungsbeispiele für ein optisches Element 56, das im Strahlengang nach dem Strahltransformator 30 der Vorrichtung 10 (Fig. 1a) angeordnet sein kann, um die Strahlsegmente 36a, 36b am Ausgang des Strahltransformators 30 selektiv zu beeinflussen und somit relativ zueinander zu verändern. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3a ist das optische Element 56a ein Prisma, insbesondere ein Dove- Prisma. Ein Dove-Prisma kann man als gleichschenkliges, rechtwinkliges Prisma verstehen, bei dem der optisch nicht wirksame Bereich abgeschnitten ist. Dementsprechend besitzt ein Dove-Prisma in der seitlichen Ansicht die Fläche eines Trapezes mit um 45° geneigten Seitenflächen. Trifft ein entlang der Längsachse des Prismas verlaufendes Strahlsegment auf eine der geneigten Einfallsflächen, wird es zunächst in das Prisma hinein gebrochen und auf die längste Seite des Prismas geleitet. Dort wird das Strahlsegment total reflektiert und in der geneigten Austrittsfläche erneut gebrochen. Eintretendes und austretendes Strahlsegment sind zueinander fluchtend, aber durch die Reflexion im Prisma um eine Gerade quer zu der Strahl richtung gespiegelt. Der gleiche Effekt kann auch mit einem nicht-abgeschnittenen dreieckigen Prisma, das wie ein Dove- Prisma wirkt und dementsprechend hier auch als Dove-Prisma betrachtet wird, erreicht werden. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Prisma 56a relativ zu der optischen Achse 46 verschiebbar, wie dies in Fig. 1a mit einem Pfeil angedeutet ist. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Prisma 56a parallel zu der langen Achse (x- Achse) verschiebbar, so dass ausgewählte Strahlsegmente 36a, 36b mit Hilfe des Prismas 56a selektiv in Bezug auf die lange Achse gespiegelt werden können. Auf diese Weise kann ein unsymmetrischer Intensitätsverlauf eines ausgewählten Strahlsegments verändert werden.
[0051] In Fig. 3b beinhaltet das optische Element 56b einen Linsensatz mit Linsenelementen 60a, 60b, mit denen ausgewählte Strahlsegmente gespiegelt werden können. In Fig. 3c beinhaltet das optische Element 56c einen Spiegelsatz mit Spiegelelementen 62a, 62b, 62c, um ausgewählte Strahlsegmente relativ zu der langen Achse zu spiegeln und auf diese Weise zu beeinflussen. [0052] Die Figs. 4a bis 4c zeigen weitere Ausführungsbeispiele für ein optisches Element 56, das im Strahlengang nach dem Strahltransformator 30 der Vorrichtung 10 (Fig. 1a) angeordnet sein kann, und/oder für ein optisches Element 58, das im Strahlengang vor dem Strahltransformator 30 der Vorrichtung 10 (Fig. 1a) angeordnet sein kann. Prinzipiell ist auch eine Kombination von mehreren optischen Elementen 56, 58 der hier gezeigten Art möglich, um Strahlsegmente 36a, 36b selektiv zu verändern. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen, in denen ein optisches Element 56 im Strahlengang nach dem Strahltransformator 30 der Vorrichtung 10 angeordnet ist, ist diese vorteilhaft zwischen dem Strahltransformator 30 und dem Homogenisierer angeordnet, der bei der Vorrichtung aus Fig. 1a die Mikrolinsenarrays 38, 40 beinhaltet.
[0053] In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 4a und Fig. 4b beinhaltet das optische Element 56 eine oder mehrere Blenden 56d, die wahlweise von der einen und/oder anderen Seite her quer zu der optischen Achse 46 vor ausgewählte Strahlsegmente geschoben werden können. Vorzugsweise sind die eine oder mehrere Blenden 56d parallel zur langen Achse verschiebbar, um ausgewählte Strahlsegmente 36a, 36b ganz oder teilweise auszublenden.
[0054] In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 4c und Fig. 4d beinhaltet das optische Element 58 eine oder mehrere Blenden 58a, die wahlweise von der einen und/oder anderen Seite her quer zu der optischen Achse 46 geschoben werden können, um einen oder mehrere Laserrohstrahl 24, die in den Strahltransformator 30 eingekoppelt werden, ganz oder teilweise auszublenden. Vorzugsweise sind die eine oder mehrere Blenden 58a parallel zu der kurzen Achse verschiebbar, um ausgewählte Strahlsegmente 36a, 36b ganz oder teilweise zu verändern.
[0055] Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem optischen Element 58b, das den Laserrohstrahl 24 verändert, um infolgedessen dann auch die Strahlsegmente am Ausgang des Strahltransformators 30 selektiv zu verändern. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 besitzt der Laserrohstrahl anfänglich ein gaußförmiges Strahlprofil in der kurzen Achse, wie bei Bezugsziffer 64 angedeutet ist. Mit Hilfe des optischen Elements 58b wird der Laserrohstrahl 24 umgeformt, so dass er ein asymmetrisches Strahlprofil in der kurzen Achse entsprechend Bezugsziffer 66 erhält. Das asymmetrische Strahlprofil 66 des in den Strahltransformator 30 eingekoppelten Laserrohstrahls 24 führt zu veränderten Strahlsegmenten 36a, 36b am Ausgang des Strahltransformators 30. In bevorzugten Ausführungsbeispielen beinhaltet das optische Element 58b eine Kombination aus einer oder mehreren asphärischen und einer oder mehreren sphärischen Linsen.

Claims

Patentansprüche Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie (12) auf einer Arbeitsebene (14), mit einer Laserlichtquelle (22), die dazu eingerichtet ist, einen Laserrohstrahl (24) zu erzeugen, und mit einer optischen Anordnung (26), die den Laserrohstrahl (24) aufnimmt und entlang einer optischen Achse (46) zu einem Beleuchtungsstrahl (28) umformt, wobei der Beleuchtungsstrahl (28) eine Strahlrichtung (29) definiert, die die Arbeitsebene (14) schneidet, wobei der Beleuchtungsstrahl (28) im Bereich der Arbeitsebene (14) ein Strahlprofil (18) besitzt, das senkrecht zu der Strahlrichtung (29) eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweist, wobei das Strahlprofil (18) relativ zu der Arbeitsebene (14) entlang einer Bewegungsrichtung (20) bewegbar ist, um ein Werkstück (16) mit Hilfe des Beleuchtungsstrahls (28) zu bearbeiten, und wobei das Strahlprofil (18) über der Kurzachsstrahlbreite einen definierten Intensitätsverlauf aufweist, der eine in Bewegungsrichtung (20) vorlaufende Flanke (48), eine in Bewegungsrichtung (20) nachlaufende Flanke (50) und ein zwischen der vorlaufenden Flanke (48) und der nachlaufenden Flanke (50) liegendes Plateau (52) besitzt, wobei das Plateau (52) im Bereich der vorlaufenden Flanke (48) einen anderen Intensitätslevel aufweist als im Bereich der nachlaufenden Flanke (50), dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (26) einen Strahltransformator (30) aufweist, der dazu eingerichtet ist, den Laserrohstrahl (24) in eine Vielzahl von Strahlsegmenten (36a, 36b) zu teilen, die in der langen Achse nebeneinander angeordnet sind, und dass die optische Anordnung (26) ferner ein optisches Element (56; 58) aufweist, das dazu eingerichtet ist, ausgewählte Strahlsegmente (36a, 36b) selektiv zu beeinflussen. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (56; 58) dazu eingerichtet ist, das Plateau (52) mit einem gegen die Bewegungsrichtung (20) im Mittel kontinuierlich abfallenden Intensitätslevel zu erzeugen. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (56; 58) quer zu der optischen Achse (46) verschiebbar ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (56a, 56b, 56c) dazu eingerichtet ist, ausgewählte Strahlsegmente aus der Vielzahl von Strahlsegmenten (36a, 36b) um die lange Achse zu spiegeln. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (56a) ein Prisma, insbesondere ein Dove-Prisma beinhaltet. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (56b) einen Linsensatz mit einem Zwischenfokus beinhaltet. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (56c) einen Spiegelsatz beinhaltet. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (56d) eine Blende beinhaltet. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (56) strahlabwärts von dem Strahltransformator (30) angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (58) strahlaufwärts von dem Strahltransformator (30) angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (20) einen gepumpten Festkörperlaser und eine Steuereinheit (54) aufweist, die den gepumpten Festkörperlaser in Abhängigkeit von dem optischen Element ansteuert.
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