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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung für die Bearbeitung eines Werkstückes mit
einem Laserstrahl.
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Ein
für die
Bearbeitung von Werkstücken verwendeter
Laserstrahl weist in der Regel eine Intensitätsverteilung auf, die rotationssymmetrisch
zur Strahlachse ist, so dass der Querschnitt des Laserstrahls auf
dem Werkstück,
d. h. in der Bearbeitungsebene die Form eines Kreises hat. Eine
solche rotationssymmetrische Intensitätsverteilung in der Bearbeitungsebene
ist jedoch nicht für
alle Bearbeitungszwecke die ideale Strahlform. In Anwendungsfällen, bei
denen mit einem gepulsten Laserstrahl beispielsweise von einem Substrat
eine dünne
Schicht entlang einer sich in Längsrichtung
ausgedehnten schmalen Linie abgetragen werden muss, beispielsweise
bei der Herstellung von LCD-Displays oder Dünnschicht-Solarzellen, ist
es wünschenswert,
mit einem Laserstrahl zu arbeiten, der ein quadratisches oder rechteckiges
Intensitätsprofil
aufweist. Bei der Verwendung eines Laserstrahls mit rotationssymmetrischem
Intensitätsprofil
ist nämlich
ein Überlapp
der einzelnen Pulse notwendig, um einen linienförmigen Abtrag mit annähernd geradlinigen
Seitenkanten erzielen zu können.
Dies ist anhand von 2 näher erläutert, in der beispielhaft
die Strahlform (Strahl- oder Intensitätsprofil) eines Laserstrahls
L in der Bearbeitungsebene (dies ist in der Figur die Zeichenebene)
für drei
zeitlich aufeinanderfolgende Pulse 2a, b, c dargestellt
ist, wenn sich Werkstück
und Laserstrahl L relativ zueinander bewegen, so dass der Laserstrahl
L auf dem Werkstück
in x-Richtung fortschreitet.
Der Figur ist zu entnehmen, dass es zum Erzeugen eines zusammenhängenden
und eine vorgegebene Breite aufweisenden linienförmigen Abtrags 4 mit
annähernd
parallel zueinander orientierten geradlinigen Seitenkanten 5 erforderlich
ist, dass sich die einzelnen Pulse 2a, b und 2b,
c teilweise auf dem Werkstück überlagern
oder überlappen.
Diese Überlappzonen 6 sind
in der Figur durch Schraffur hervorgehoben. Hat der Laserstrahl
L, wie es in der Regel erwünscht
ist, außerdem
ein flaches Intensitätsprofil
(I(r) = konstant für
r ≤ R, wobei
R der Strahlradius und r der Abstand von der Mittenachse des Laserstrahls
ist), so ergibt sich im Bereich der Überlappzone 6 ein
Energieeintrag in das Werkstück,
der doppelt so hoch sein kann wie in den Bereichen, in denen sich
benachbarte Laserpulse 2a, b bzw. 2b, c nicht überlappen.
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In
J. R. Hayes et al., „Square
core jacketed air-clad fiber”,
Optics Express, 30.10.2006, Vol. 14, No. 22, Seiten 10345–10350,
ist deshalb für
bestimmte Anwendungsfälle
vorgeschlagen worden, einen Laserstrahl zu verwenden, der eine quadratische Strahlform
aufweist. Diese quadratische Strahlform wird erzeugt mit einer Lichtleitfaser,
die einen im Querschnitt quadratischen Kern aufweist. Zur Erzeugung
eines derartigen quadratischen oder rechteckigen Intensitätsprofiles
des Laserstrahles ist es beispielsweise auch aus der
US 2002/0158964 A1 ,
der
DE 29609788 U1 ,
der
JP 56039190 A oder
der
JP 63160780 A bekannt,
im Strahlengang des Laserstrahls eine entsprechend geformte Blende
anzuordnen.
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Mit
einem rechteckigen oder quadratischen Strahlprofil, wie es mit den
bekannten Einrichtungen erzeugt wird, lassen sich zwar dem Prinzip
nach ideale linienförmige
Abtragungen erreichen, dennoch muss aus fertigungstechnischen Gründen ein
gewisser Überlapp
vorgenommen werden, um Lücken
in der Bearbeitungsspur zu vermeiden, da Toleranzen in der Werkstück- oder
Strahlführung
unvermeidlich sind und berücksichtigt
werden müssen.
Auch in diesen Überlappzonen
ist somit die bei der Bearbeitung in das Werkstück eingebrachte Strahlenergie
signifikant höher
als außerhalb
der Überlappzone.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung
für die
Bearbeitung eines Werkstückes
mit einem Laserstrahl anzugeben, mit der ein Laserstrahl erzeugt
werden kann, mit dem es möglich
ist, eine Schicht von einem Werkstück entlang einer Linie möglichst
gleichförmig
abzutragen.
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Die
genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Eine solche Einrichtung enthält
eine Strahlformungseinrichtung zur Formung des Intensitätsprofils
des aus einer Apertur austretenden und in einer Bearbeitungsebene
auf das Werkstück
auftreffenden Laserstrahls an seinem Rand, die eine teleskopische
Abbildungseinrichtung zum Abbilden der Apertur auf das in der Bearbeitungsebene
angeordnete Werkstück
sowie eine im Strahlengang zwischen Apertur und Bearbeitungsebene
angeordnete Blende mit zumindest zwei zueinander parallelen Kanten
umfasst.
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Die
Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass eine im Strahlengang
des Laserstrahls angeordnete Blende mit zumindest zwei zueinander
parallelen Kanten einerseits einen Laserstrahl mit einem Strahlprofil
erzeugt, das zumindest annähernd parallel
zueinander verlaufenden Ränder
aufweist, die jedoch auf grund von Beugungseffekten an den Kanten
der Blende an diesen äußeren Rändern eine Übergangszone
mit sanft ansteigenden Flanken aufweist. Die Blende dient somit
in erster Linie nicht zur Strahlbegrenzung sondern zur Formung des
Intensitäts-
oder Strahlprofils des Laserstrahles in dieser Übergangszone. In dieser Übergangszone
können sich
die einzelnen Laserstrahlpulse innerhalb einer relativ breiten Zone überlappen,
ohne dass ein zu hoher Energieeintrag in die abzutragende Schicht
stattfindet. Darüber
hinaus bewirkt die Blende eine Erhöhung der Tiefenschärfe des
auf dem Werkstück
fokussierten Laserstrahls.
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Die
Erhöhung
der Tiefenschärfe
ist insbesondere dann ausgeprägt,
wenn die Blende entweder innerhalb der teleskopischen Abbildungseinrichtung
oder außerhalb
der teleskopischen Abbildungseinrichtung zwischen dieser und der
Apertur oder der Bearbeitungsebene angeordnet ist, wobei im letzten Fall
der Abstand zwischen der Abbildungseinrichtung und der Blende sehr
viel kleiner ist als ihr Abstand zur Apertur bzw. Bearbeitungsebene.
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Die
Blende ist vorzugsweise eine Rechteckblende, so dass aus einem Laserstrahl
mit rotationssymmetrischem Intensitätsprofil ein rechteckförmiger Laserstrahl
erzeugt wird.
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Aus
der Apertur tritt vorzugsweise ein Laserstrahl mit einem Intensitätsprofil
aus, das ein zumindest annähernd
konstantes Plateau aufweist. Auf diese Weise ist eine homogene Bearbeitung
des Werkstückes
entlang einer Bearbeitungslinie oder -kontur möglich.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
wird die Apertur durch die Austrittsfläche einer Lichtleitfaser mit
rechteckigem Querschnitt gebildet. Auf diese Weise liegt bereits
am Eingang der Blende ein im Wesentlichen rechteckigförmiger Laserstrahls
vor, so dass die rechteckförmige
Blende nur geringfügig
kleiner sein muss als die Abmessungen des Laserstrahls in der Blendenebene.
Auf diese Weise ist der durch die Blende eliminierte Anteil des Laserstrahls
deutlich geringer als bei einer mit einer rechteckigen (quadratischen)
Blende durchgeführten Strahlbegrenzung
bei einem Laserstrahl mit kreisrundem Querschnitt. In diesem Fall
ist es auch ausreichend, wenn die Blende nur in der Richtung den
Laserstrahl begrenzt, in der die einzelnen Laserpulse zum Herstellen
des linienförmigen
Abtrages aneinandergereiht werden.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel
der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
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1 eine
Einrichtung für
die Bearbeitung eines Werkstückes
mit einem Laserstrahl gemäß der Erfindung
in einer schematischen Prinzipdarstellung,
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2 zeitlich
aufeinanderfolgende auf einem Werkstück in unterschiedlichen Positionen
entlag einer Bearbeitungslinie fokussierte Laserstrahlpulse mit
kreisrundem Querschnitt gemäß dem Stand
der Technik,
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3 ein
Intensitätsprofil
eines gemäß dem Stand
der Technik verwendeten Laserstrahls mit kreisrundem Querschnitt,
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4 drei
zeitlich aufeinanderfolgende Laserstrahlpulse mit rechteckigem Querschnitt
in der Bearbeitungsebene gemäß dem Stand
der Technik,
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5a–c jeweils
Intensitätsprofile
sich überlappender
Laserstrahlpulse gemäß der Erfindung
in Bearbeitungsrichtung,
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6 ein
Intensitätsprofil
eines Laserstrahlpulses gemäß der Erfindung
senkrecht zur Bearbeitungsrichtung.
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Gemäß 1 enthält eine
Einrichtung für
die Bearbeitung eines Werkstückes 10 eine
Laserstrahlquelle 12, die einen Laserstrahl L in einen
Lichtleiter 14, vorzugsweise eine Lichtleitfaser in rechteckigem oder
quadratischem Querschnitt einkoppelt. Der Laserstrahl L tritt an
einer Apertur 16, im Beispiel die Austrittsfläche des
Lichtleiters 14, mit einem der geometrischen Form dieser
Apertur 16 entsprechenden Intensitätsprofil mit einem flachen
Plateau und steilen Flanken aus und wird durch eine Abbildungseinrichtung 18,
im Beispiel eine aus zwei Sammellinsen 18a und b aufgebaute
teleskopische Abbildungseinrichtung 18, auf eine Bearbeitungsebene 20,
d. h. die Oberfläche
des Werkstückes 10 abgebildet.
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Die
Laserstrahlquelle 12, beispielsweise ein im Q-switch-Betrieb arbeitender
Nd:YAG-Laser, erzeugt einen Laserstrahl L, der aus zeitlich aufeinanderfolgenden
Laserstrahlpulsen besteht und durch Relativbewegung zwischen Werkstück 10 und
Abbildungseinrichtung 18 einen linienförmigen Abtrag erzeugt.
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Zwischen
der Apertur 16 und der Bearbeitungsebene 20 ist
eine Blende 22 angeordnet, die zumindest zwei zueinander
parallele Kanten 24 aufweist, und bei der es sich um eine
Rechteckblende handeln kann. Die Blende 22 begrenzt den
Laserstrahl L zumindest in einer Richtung x, in der die einzelnen
Laserstrahlpulse zum Erzeugen des linienförmigen Abtrages auf dem Werkstück 10 aneinandergereiht
werden. Abbildungseinrichtung 18 und Blende 22 bilden
auf diese Weise eine Strahlformungseinrichtung 26, die
das Intensitätsprofil
des Laserstrahls L an seinen den Kanten 24 zugeordneten
Rändern formt.
Im Beispiel der Figur ist die Blende 22 zwischen der Apertur 16 und
der ihr zugewandten Sammellinse 18a der teleskopischen
Abbildungseinrichtung angeordnet. Alternativ hierzu kann die Blende 22 auch
innerhalb der teleskopischen Abbildungseinrichtung, d. h. zwischen
den Sammellinsen 18a und b, oder zwischen der Bearbeitungsebene 20 und
der dieser zugewandten Sammellinse 18b der Abbildungseinrichtung
angeordnet sein, wie dies in 1 gestrichelt
eingezeichnet ist. Die Position der Blende 22 bestimmt
sowohl den Tiefenschärfebereich
als auch der Verlauf des Intensitätsprofils im Bereich des Randes,
d. h. die Steilheit der Flanken des Intensitätsprofils. Eine hohe Tiefenschärfe und
geringe Flankensteilheit wird erzielt, wenn die Blende 22 entweder
innerhalb der teleskopischen Abbildungseinrichtung oder außerhalb
dieser nahe an den Sammellinsen 18a oder b angeordnet wird,
so dass der Abstand a bzw. c zwischen Abbildungseinrichtung 18 und
Blende 22 sehr viel kleiner ist als ihr Abstand b bzw.
d zur Apertur 16 bzw. zur Bearbeitungsebene 20.
Dementsprechend wird ein kleiner Tiefenschärfebereich und eine steile
Flanke erzielt, wenn die Blende 22 entweder nahe an der
Apertur 16 oder nahe an der Bearbeitungsebene 20 platziert
wird.
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Pulsfolgefrequenz
und Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Laserstrahl L und
Werkstück 10 sind
derart aufeinander abgestimmt, dass sich die einzelnen Laserstrahlpulse
auf dem Werkstück 10 nur
in einer schmalen Überlappzone überlappen.
Die zulässige
Breite dieser Überlappzone
ist an den Verlauf der Flanken des Intensitätsprofils in Bewegungsrichtung
x angepasst.
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Dies
ist anhand 5a–c grob schematisch mit idealisierten
trapezförmigen
Intensitätsprofilen veranschaulicht. 5a zeigt
eine Situation, in der die Überlappzone 6 in
x-Richtung eine
Breite Bmin aufweist, bei der in der Überlappzone
der gesamte Energieeintrag (gestrichelt durch Überlagerung der Einzelimpulse
angedeutet) gerade noch ausreicht, um einen hinreichenden Abtrag
in dieser Überlappzone 6 zu
erzielen. 5b entspricht einer Situation,
in der die Überlappzone 6 eine
ideale Breite Bs aufweist, die bei linearen
Flanken einen Energieeintrag in dieser Überlappzone 6 erzeugt,
der mit dem Energieeintrag im Bereich des Plateaus übereinstimmt.
In 5c ist eine Situation veranschaulicht, in der
die Überlappzone 6 eine
maximale Breite Bmax hat, bei der der Energieeintrag
zwar höher
ist als im Plateau eines einzelnen Laserstrahlpulses, sich aber
immer noch im zulässigen
Bereich befindet.
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Den 5a–c ist zu
entnehmen, dass die für die
Relativbewegung zur Erzielung einer gleichförmigen Abtragskontur erlaubte
Toleranz – in
den vereinfachten Beispielen Bmax – Bmin – signifikant
größer ist als
bei einem idealisierten Rechteckprofil, wie es in 6 für die zur
x senkrechte Richtung y angedeutet ist.
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Ein
solches idealisiertes Rechteckprofil kann nämlich in der zur Bewegungsrichtung
x senkrechten Richtung y nach wie vor beispielsweise dann erzielt werden,
wenn der Lichtleiter 14 eine Lichtleitfaser mit rechteckigem
oder quadratischen Querschnitt ist. In diesem Falle ist es ausreichend,
wenn die Blende den Laserstrahl L nur in x-Richtung begrenzt. Bei Verwendung
eines aus der Apertur austretenden Laserstrahls L mit kreisförmigen Querschnitt
ist es nach wie vor zweckmäßig die
Blende derart zu dimensionieren, dass eine Strahlbegrenzung sowohl
in x- als auch in y-Richtung statt findet.
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In
den 5a–c
sind lediglich zum Veranschaulichen des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens
idealisierte Intensitätsprofile
dargestellt. In der Praxis ergibt sich durch die Blende ein annähernd s-förmiger Verlauf
der Flanken, der jedoch ebenfalls eine Erhöhung der zulässigen Toleranzen beim
aufeinanderfolgen Setzen der Laserstrahlpulse auf dem Werkstück ermöglicht.