DE102008029946A1

DE102008029946A1 - Scannvorrichtung für einen Laserstrahl

Info

Publication number: DE102008029946A1
Application number: DE200810029946
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Mitra; Björn Dr. Gütlich
Original assignee: Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Current assignee: Focuslight Germany GmbH
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2009-12-31

Abstract

Scannvorrichtung für einen Laserstrahl (1), umfassend Scannmittel, die ein eindimensionales oder zweidimensionales Scannen des Laserstrahls (1) in einer Arbeitsebene (5) ermöglichen, eine F-Theta-Optik, durch die der zu scannende Laserstrahl (1) hindurchtritt, sowie Optikmittel (2), die den Laserstrahl (1) derart beeinflussen können, dass der Laserstrahl (1) in der Arbeitsebene (5) eine Intensitätsverteilung aufweist, die zumindest hinsichtlich einer Richtung zumindest teilweise einer Top-Hat-Intensitätsverteilung entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Scannvorrichtung für einen Laserstrahl gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Definitionen: In Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung meint mittlere Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung, insbesondere wenn diese keine ebene Welle ist oder zumindest teilweise divergent ist. Mit Laserstrahl, Lichtstrahl, Teilstrahl oder Strahl ist, wenn nicht ausdrücklich anderes angegeben ist, kein idealisierter Strahl der geometrischen Optik gemeint, sondern ein realer Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl mit einem Gauß-Profil oder einem modifizierten Gauß-Profil, der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist. Mit Top-Hat-Verteilung oder Top-Hat-Intensitätsverteilung oder Top-Hat-Profil ist eine Intensitätsverteilung gemeint, die sich zumindest hinsichtlich einer Richtung im Wesentlichen durch eine Rechteckfunktion (rect(x)) beschreiben lässt. Dabei sollen reale Intensitätsverteilungen, die Abweichungen von einer Rechteckfunktion im Prozentbereich beziehungsweise geneigte Flanken aufweisen, ebenfalls als Top-Hat-Verteilung oder Top-Hat-Profil bezeichnet werden.
Eine Scannvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der WO 2007/042198 A1 bekannt. Durch die darin beschriebene Scannvorrichtung kann ein Hochleistungslaserstrahl über eine Arbeitsfläche gescannt werden. Dazu umfasst die Scannvorrichtung ein F-Theta-Objektiv, das einen großen planen Bildbereich aufweist.
Es gibt Anwendungen, wie beispielsweise das „Ziehen” von Gräben bei der Herstellung von Solarzellen und das so genannte „Pixel-Repair” bei der Herstellung von Flachbildschirmen, bei denen es wünschenswert ist, dass das Intensitätsprofil des Laserstrahls in der Arbeitsebene zumindest hinsichtlich einer Richtung einem Top-Hat-Profil entspricht. Dazu werden in der Regel Single-Mode-Laser verwendet.
Im Stand der Technik können Laserstrahlen mit einem Top-Hat-Profil nicht mit unter Verwendung von F-Theta-Optiken über ein Werkstück gescannt werden. Zur Zeit verwenden Systeme, bei denen ein Laserstrahl mit einem Top-Hat-Profil über eine Werkstückoberfläche geführt werden soll, Verschiebetische, um das Werkstück relativ zu dem Laserstrahl zu bewegen. Derartige Vorrichtungen sind sehr kostenintensiv und langsam.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Scannvorrichtung der eingangs genannten Art, die vergleichsweise kostengünstig ist und ein schnelleres Scannen ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Scannvorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Scannvorrichtung Optikmittel umfasst, die den Laserstrahl derart beeinflussen können, dass der Laserstrahl in der Arbeitsebene eine Intensitätsverteilung aufweist, die zumindest hinsichtlich einer Richtung zumindest teilweise einer Top-Hat-Intensitätsverteilung entspricht. Erfindungsgemäß können somit Laserstrahlen mit einem Top-Hat-Profil, die beispielsweise von einem Single-Mode-Laser erzeugt werden, über eine zu bearbeitende Oberfläche gescannt werden.
Dabei können die Optikmittel derart gestaltet und/oder angeordnet sein, dass der Laserstrahl in einer ersten Ebene hinter den Linsenmitteln zumindest teilweise eine Intensitätsverteilung aufweist, die zumindest hinsichtlich einer Richtung einer Top-Hat-Verteilung entspricht. Insbesondere kann dabei die F-Theta-Optik derart gestaltet und/oder angeordnet sein, dass die erste Ebene in eine zweite Ebene abgebildet wird, die insbesondere der Arbeitsebene entspricht. Die F-Theta-Optik kann somit die Top-Hat-Intensitätsverteilung aus der ersten Ebene in die Arbeitsebene abbilden. Diese Gestaltung erlaubt erstmals das Scannen eines Top-Hat-Profils mittels einer F-Theta-Optik über einen Arbeitsbereich, ohne das dazu das Werkstück bewegt werden müsste.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Abbildung. Darin zeigt
1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Scannvorrichtung.
In die abgebildete erfindungsgemäße Scannvorrichtung tritt von links in 1 ein Laserstrahl 1 ein, der ein Gaußprofil aufweist. Die Scannvorrichtung umfasst Optikmittel 2, die eine Transformation eines Laserstrahls von einem Gaußprofil zu einem Top-Hat-Profil verursachen können.
Weiterhin umfasst die Scannvorrichtung im Strahlweg des Laserstrahls 1 hinter den Optikmitteln 2 angeordnete Scannmittel, die mindestens einen bewegbaren Spiegel 3 umfassen, von dem der Laserstrahl 1 gezielt abgelenkt wird.
Weiterhin umfasst die Scannvorrichtung ein als F-Theta-Optik dienendes F-Theta-Objektiv 4, das im Strahlweg des Laserstrahls 1 zwischen dem Spiegel 3 und einer Arbeitsebene 5 angeordnet ist. Das F-Theta-Objektiv 4 kann in herkömmlicher Weise eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten Linsen umfassen, mit denen sich ein großes planes Bildfeld erzeugen lässt.
In der Arbeitsebene 5 kann sich ein zu bearbeitendes Werkstück befinden. Beispielsweise kann das Werkstück eine Siliziumschicht umfassen, bei der durch den Laserstrahl 1 eine Rekristallisation vorgenommen wird, um sie für Solarzellen oder Flachbildschirme geeignet zu machen.
Mit 1' ist ein von dem Spiegel 3 abgelenkter Laserstrahl bezeichnet, der das Scannen über die Arbeitsfläche 5 verdeutlichen soll.
Die Optikmittel 2 umfassen eine Powelllinse 6 mit mindestens einer, vorzugsweise zwei Transformationsgrenzflächen 7, 8, die eine derartige Transformation des Profils des Laserstrahls 1 verursachen können, dass der Laserstrahl 1 nach dem Hindurchtritt durch die Transformationsgrenzflächen 7, 8 eine Top-Hat-Winkelverteilung aufweist. Weiterhin umfassen die Optikmittel 2 ein hinter der Powelllinse 6 angeordnetes Linsenmittel 9, das eine Fouriertransformation des Laserstrahls 1 bewirken kann, so dass die Top-Hat-Winkelverteilung in eine Top-Hat-Intensitätsverteilung umgewandelt wird.
Allgemein können Transformationsgrenzflächen 7, 8, die eine Transformation von einem Gaußprofil zu einem Top-Hat-Profil verursachen, in ihrer Funktion auf einer Methode des Phasenschiebens basieren.
Hierzu wird als Eingangsparameter für die Optik beziehungsweise die Transformationsgrenzfläche ein idealer Gaußscher Strahl mit bekannten Parametern (Strahldurchmesser, Divergenz) angenommen. In einem iterativen Verfahren wird für das Design der Optik beziehungsweise der Transformationsgrenzfläche eine räumlich angepasste Phasenverschiebung φ generiert, welche die ursprüngliche Gaußform des Laserprofils in eine Top-Hat-Intensitätsverteilung in der Zielebene überführt.
Mathematisch kann diese Aufgabe in einem iterativen Prozess durch Minimierung des nachfolgend wiedergegebenen Funktionals R – hier in einer dimensionslosen Darstellung – gelöst werden.
mit

: Fouriertransformation,
α: räumlicher Skalierungsfaktor,
f: Frequenzvariable des Fourierraums.

Die Minimierung des Funktionales R führt zur gesuchten Phasenverteilung φ aufgrund derer die Form der Linse beziehungsweise der Transformationsgrenzfläche definiert ist.
Innerhalb des Funktionals stellt der Term (2/√π)1/2e–x² die Gaußsche Intensitätsverteilung des Eingangsstrahls dar, auf welche ein Phasenfaktor e^iφ aufmultipliziert wird.
Um die auf den Gaußschen Strahl aufgeprägte Phasenmodulation in die gewünschte Verteilung der Ausgangsintensität zu überführen ist es notwendig diesen Term einer Fourier Transformation
zu unterziehen, die in der Praxis durch eine felderzeugende Fourier-Transformations-Linse – auch kurz Feldlinse genannt – realisiert wird. Im abgebildeten Ausführungsbeispiel ist dies das Linsenmittel 9.
Der Term der Form (1/α)^1/2rect(f/α) entspricht einer Darstellung der tophatförmigen Ziel-Intensitätsverteilung.
Der Faktor α ist ein Parameter, der die räumliche Dimension des Zielfeldes festlegt. Durch Subtraktion der Terme der transformierten Eingangsintensitätsverteilung von der Zielintensitätsverteilung wird nun bei Minimierung des Funktionals R die gewünschte Funktionalität der Optik gewährleistet.
In einer ersten Ebene 10 hinter dem Linsenmittel 9 weist der Laserstrahl 1 ein Intensitätsprofil auf, das einem Top-Hat-Profil entspricht. Der optische Weg von dem Linsenmittel 9 zu der ersten Ebene 10 ist gleich oder etwa gleich der Brennweite f₉ des Linsenmittels, so dass die erste Ebene 10 der ausgangsseitigen Brennebene des Linsenmittels 9 beziehungsweise dessen Fourierebene entspricht.
Die erste Ebene 10 wird von dem F-Theta-Objektiv 4 in die Arbeitsebene 5 abgebildet. Dazu entspricht die Länge des optischen Weges zwischen der ersten Ebene 10 und dem F-Theta-Objektiv 4 in etwa der Länge d₃ des optischen Weges zwischen dem F-Theta-Objektiv 4 und der Arbeitsebene 5. In der Zeichnung ist mit d₁ die Länge des optischen Weges zwischen der ersten Ebene 10 und dem Spiegel 3 und mit d₂ die Länge des optischen Weges zwischen dem Spiegel 3 und dem F-Theta-Objektiv 4 bezeichnet. Es gilt somit d3 ≅ d1 + d2.
Die Abweichung zwischen d₃ einerseits und d₁ + d₂ andererseits kann weniger als 10%, insbesondere weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 1% betragen.
Weiterhin ist aus 1 ersichtlich, dass die Länge des optischen Wegs zwischen dem F-Theta-Objektiv 4 und der Arbeitsebene 5 dem Zweifachen der Brennweite f₄ des F-Theta-Objektivs 4 entspricht.
Bei dem vorgenannten Zusammenhang zwischen d₃, d₁ und d₂ liegt eine 1:1 Abbildung vor. Es besteht jedoch durchaus auch die Möglichkeit, dass die Abbildung von der ersten Ebene 10 in die Arbeitsebene 5 durch das F-Theta-Objektiv 4 eine vergrößernde oder eine verkleinernde Abbildung ist, wobei dann die obige Gleichung nicht mehr richtig sein muss.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/042198 A1 [0003]

Claims

Scannvorrichtung für einen Laserstrahl (1), umfassend – Scannmittel, die ein eindimensionales oder zweidimensionales Scannen des Laserstrahls (1) in einer Arbeitsebene (5) ermöglichen, – eine F-Theta-Optik, durch die der zu scannende Laserstrahl (1) hindurchtritt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Scannvorrichtung Optikmittel (2) umfasst, die den Laserstrahl (1) derart beeinflussen können, dass der Laserstrahl (1) in der Arbeitsebene (5) eine Intensitätsverteilung aufweist, die zumindest hinsichtlich einer Richtung zumindest teilweise einer Top-Hat-Intensitätsverteilung entspricht.
Scannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikmittel (2) mindestens eine optisch funktionale Transformationsgrenzfläche (7, 8) umfassen, durch die zumindest ein Teil des Laserstrahls (1) derart hindurch treten kann, dass der Laserstrahl (1) zumindest teilweise in der Arbeitsebene (5) eine Intensitätsverteilung aufweist, die zumindest hinsichtlich einer Richtung einer Top-Hat-Verteilung entspricht.
Scannvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Transformationsgrenzfläche (7, 8) als Powelllinse (6) ausgebildet ist oder Teil einer Powelllinse (6) ist.
Scannvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikmittel (2) Linsenmittel (9) in einer Fourieranordnung umfassen, die auf dem Strahlweg des Laserstrahls (1) hinter der mindestens einen Transformationsgrenzfläche (7, 8) angeordnet sind.
Scannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikmittel (2) derart gestaltet und/oder angeordnet sind, dass der Laserstrahl (1) in einer ersten Ebene (10) hinter den Linsenmitteln (9) zumindest teilweise eine Intensitätsverteilung aufweist, die zumindest hinsichtlich einer Richtung einer Top-Hat-Verteilung entspricht.
Scannvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ebene (10) der ausgangsseitigen Brennebene der Linsenmittel (9) entspricht.
Scannvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die F-Theta-Optik derart gestaltet und/oder angeordnet ist, dass die erste Ebene (10) in eine zweite Ebene abgebildet wird, die insbesondere der Arbeitsebene (5) entspricht.
Scannvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Länge (d₁ + d₂) des optische Weges von der ersten Ebene (10) zur F-Theta-Optik von der Länge (d₃) des optisches Weges von der F-Theta-Optik zur zweiten Ebene um weniger als 10%, insbesondere um weniger als 5%, beispielsweise um weniger als 1% unterscheidet.
Scannvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildung von der ersten Ebene (10) in die zweite Ebene durch die F-Theta-Optik eine vergrößernde oder eine verkleinernde Abbildung ist.
Scannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (d₃) des optischen Weges von der F-Theta-Optik zur Arbeitsebene (5) der zweifachen Brennweite (f₄) der F-Theta-Optik entspricht.
Scannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Scannmittel zwischen den Optikmitteln (2) und der F-Theta-Optik angeordnet sind, insbesondere zwischen der ersten Ebene (10) und der F-Theta-Optik.
Scannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Scannmittel mindestens einen bewegbaren Spiegel (3) umfassen
Scannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die F-Theta-Optik ein F-Theta-Objektiv (4) mit einer Mehrzahl von hintereinander angeordneten Linsen ist.
Scannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die F-Theta-Optik telezentrisch arbeitet.