DE102012101643A1

DE102012101643A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ablenken von elektro-magnetischer Strahlung, Vorrichtung und Verfahren zum Bestrahlen eines Körpers

Info

Publication number: DE102012101643A1
Application number: DE201210101643
Authority: DE
Inventors: Markus Zecherle; Christoph Schiller
Original assignee: Scanlab AG
Current assignee: Scanlab AG
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-08-29

Abstract

Eine Vorrichtung zum Ablenken von elektro-magnetischer Strahlung weist eine erste Strahlablenkeinheit (16) und eine zweite Strahlablenkeinheit (20) auf. Die erste Strahlablenkeinheit (16) hat einen ersten Ablenker (30) zum Ablenken von elektro-magnetischer Strahlung (14) entlang einer ersten Richtung und einen Bildfelddreher (34) zum Drehen der abgelenkten elektro-magnetischen Strahlung (32) um einen vorgegebenen Drehwinkel, wodurch die elektro-magnetische Strahlung (18) in eine effektive Ablenkrichtung abgelenkt ist, die gegenüber der abgelenkten elektro-magnetischen Strahlung (32) gedreht ist. Die zweite Strahlablenkeinheit (20) lenkt die gedrehte elektro-magnetische Strahlung (18) entlang einer zweiten Richtung und entlang einer dritten Richtung ab, wobei zumindest eine Richtungskomponente der zweiten Richtung auf der dritten Richtung senkrecht steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ablenken von elektro-magnetischer Strahlung mit einer ersten Strahlablenkeinheit und mit einer zweiten Strahlablenkeinheit. Die erste Strahlablenkeinheit hat einen ersten Ablenker zum Ablenken der elektro-magnetischen Strahlung entlang einer ersten Richtung. Die zweite Strahlablenkeinheit lenkt die abgelenkte elektro-magnetische Strahlung entlang einer zweiten Richtung und entlang einer dritten Richtung ab, wobei zumindest eine Richtungskomponente der zweiten Richtung auf der dritten Richtung senkrecht steht. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ablenken von elektro-magnetischer Strahlung und eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestrahlen eines Körpers.
Die Vorrichtung zum Ablenken von elektro-magnetischer Strahlung kann beispielsweise in der Vorrichtung zum Bestrahlen des Körpers genutzt werden. Ferner können das Verfahren zum Ablenken der elektro-magnetischen Strahlung und/oder das Verfahren zum Bestrahlen des Körpers mit Hilfe der Vorrichtung zum Ablenken von elektro-magnetischer Strahlung durchgeführt werden.
Die Vorrichtung zum Bestrahlen des Körpers kann beispielsweise eine Bearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten, beispielsweise zum Laserbearbeiten, des Körpers, eine Vorrichtung zur optischen Abtastung, eine Vorrichtung zum Belichten und/oder eine Vorrichtung zum Beleuchten des Körpers sein. Ferner kann die Vorrichtung zum Bestrahlen des Körpers beispielsweise zur Bildgebung genutzt werden. Ferner kann die Vorrichtung zum Bestrahlen des Körpers in der Mikroskopie zum Anregung und/oder Beobachten von Fluoreszenzeffekten oder bei Lithographieverfahren zum Belichten von Fotolack verwendet werden. Der Körper kann beispielsweise ein Werkstück, eine Probe oder ein Substrat sein.
Eine Bearbeitungsvorrichtung eignet sich beispielsweise zum Bearbeiten eines Werkstücks. Die Bearbeitungsvorrichtung erzeugt als elektro-magnetische Strahlung einen Bearbeitungs-Laserstrahl, mit dessen Hilfe das Werkstück bearbeitet werden kann. Das Bearbeiten des Werkstücks umfasst beispielsweise ein Schneiden des Werkstücks oder ein Behandeln der Oberfläche des Werkstücks oder einen Materialabtrag an der Oberfläche. Das Bearbeiten der Oberfläche des Werkstücks kann beispielsweise auch als Schreiben auf der Oberfläche bezeichnet werden. Beispielsweise kann das Werkstück entlang einer vorgegebenen Linie geschnitten werden und/oder in die Oberfläche des Werkstücks kann ein vorgegebenes Bestrahlungsmuster eingebracht werden.
Als elektro-magnetische Strahlung kann beispielsweise gepulste elektro-magnetische Strahlung erzeugt werden. In diesem Zusammenhang kann eine Strahlungsquelle zum Erzeugen der elektro-magnetischen Strahlung beispielsweise ein Ultrakurzpuls(UKP)-Laser sein. Beispielsweise bei der Anregung oder Untersuchung von Fluoreszenzeffekten in einer Probe oder bei der Materialbearbeitung eines Werkstücks mit UKP-Lasern kann es vorteilhaft oder notwendig sein, einzelne Laserpulse mit ausreichender räumlicher oder zeitlicher Trennung oder zumindest einer begrenzten räumlichen und/oder zeitlichen Überlappung auf das Werkstück einwirken zu lassen, z. B. um bestimmte Effekte beobachten zu können und/oder um schädliche thermische Effekte zu vermeiden. Eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit (beleuchtete Fläche pro Zeit) kann durch eine ausreichend hohe mittlere Leistung der Strahlungsquelle erreicht werden. Dabei erweist sich der Ansatz, eine hohe Repetitionsrate (Pulsrate, Pulse pro Zeit) zu verwenden, gegenüber dem Ansatz, eine hohe Pulsenergie zu verwenden, in vielen Fällen als attraktiver. Gründe hierfür sind, dass die Skalierung der Repetitionsrate technisch besser handhabbar ist, als die Skalierung der Pulsenergie, und dass intensivere Pulse auf eine größere Fläche verteilt werden müssten, was entweder unflexiblere und aufwändigere parallele Bearbeitung mit mehreren kleinen Laserspots oder ungenauere Bearbeitung mit größeren Spots erfordern würde. Eine ausreichende räumliche Trennung bei einer hohen Repetitionsrate kann erreicht werden, indem eine sehr schnelle Strahlablenkung erfolgt.
Auch im Falle kontinuierlicher elektro-magnetischer Strahlung kann eine schnelle Ablenkung der elektro-magnetischen Strahlung dazu beitragen die Bestrahlungsleistung auf einem zu bestrahlenden Körper ausreichend schnell zu verteilen, um für die jeweilige Anwendung unerwünschte Akkumulationseffekte zu vermeiden. So kann für die jeweilige Anwendung der Einsatz leistungsstarker Strahlungsquellen und damit eine Verkürzung der Bearbeitungsdauer ermöglicht werden.
Es sind bereits unterschiedliche schnelle Strahlablenkeinheiten bekannt, beispielsweise akusto-optische, elektro-optische oder mechanische, beispielsweise piezo-mechanische, Ablenker. Derartige schnelle Ablenksysteme sind teuer und/oder wenig flexibel bezüglich der möglichen Scanwinkel und/oder weisen einen schlechten Auslastungsgrad (Duty Cycle) auf und/oder sind bezüglich der maximal möglichen Scanwinkel beschränkt. Beispielsweise kann hier die Anzahl der im Scanfeld getrennt optisch auflösbaren Punkte die ausschlaggebende Größe sein, welche im Gegensatz zum Scanwinkel von Apertur und Optik unabhängig sein kann.
Ein Ansatz, um große Ablenkwinkel und eine schnelle Ablenkung zu erreichen, ist, eine schnelle Ablenkung mit beispielsweise geringem Ablenkwinkel und eine beispielsweise langsame Ablenkung um große Ablenkwinkel zu kombinieren. Die Ablenkung um die großen Ablenkwinkel kann beispielsweise mit Hilfe eines Galvanometerscanners erzielt werden.
Die schnelle Ablenkung ist für allgemeine Anwendungen, beispielsweise in einem Vektor-Beschriftungsmodus, auf der Werkstückoberfläche in zwei Dimensionen möglich. Die Umsetzung eines schnellen zweidimensionalen Scanners mit beliebig einstellbarer Scanrichtung ist aus verschiedenen Gründen bei allen genannten Ansätzen schwieriger als die Realisierung eines schnellen eindimensionalen Scanners. Gründe hierfür sind, dass bei der zweistufigen Auslegung (zwei Scan-Achsen nacheinander für zwei zu überlagernde Scanrichtungen) eines schnellen zweidimensionalen Scanners der Akzeptanzwinkel des zweiten Scanners (zweite Scanachse) eingangsseitig mindestens den Scanwinkel des ersten Scanners (erste Scanachse) aufweisen muss. Dieses Problem kann mit Hilfe einer Zwischenoptik auf die erforderliche Eingangsapertur verlagert, jedoch nicht beseitigt werden. Des Weiteren müssen die beiden Scanachsen eines zweistufigen schnellen Scanners trotz unterschiedlicher und variabler Scanamplituden synchron betrieben werden, was bei hohen Scangeschwindigkeiten bei gleichzeitig hohen Anforderungen an die Genauigkeit in der Praxis mit technischen Schwierigkeiten und enormem zusätzlichen Aufwand verbunden ist. Nicht zuletzt weisen bei einigen Technologien schnelle Scanner typisch hohe Verluste in der Laserleistung (Akusto-Optical-Deflector (AOD): ca. 30%) pro Stufe/Achse auf und pro Achse werden aufwändige und/oder teure Ansteuerkomponenten benötigt.
Für viele Anwendungen, insbesondere auch UKP-Anwendungen, kann es ausreichen, eine schnelle lineare Scanbewegung mit kleiner Amplitude mit einer langsamen Beschriftungsbewegung, auch Vorschub genannt, zu überlagern. Es besteht im Vektor-Beschriftungsmodus (Linienzüge) aber der Bedarf, die Richtung der schnellen Ablenkung, die nachfolgend auch als Bestrahlungsrichtung bezeichnet wird, relativ zur Richtung jedes zu schreibenden Vektors, also relativ zur Vorschubrichtung, ausrichten zu können, um flexible Beschriftungsmuster zu ermöglichen.
Auch bei einer flächigen Beschriftung in einem Rasterartigen Beschriftungsmodus ist eine Wählbarkeit der Richtung der schnellen linearen Ablenkung vorteilhaft, u. a. da durch die Zeitabfolge der Laserpulse eine Ungleichmäßigkeit der Beschriftungsergebnisse entstehen kann, die durch mehrfache Beschriftung in verschiedenen Schreibrichtungen behoben werden kann. Dies könnte durch eine Drehung des Werkstücks erreicht werden. Eine Drehung des Werkstücks kann i. a. aus Gründen der Trägheit aber nur langsam erfolgen.
Aus DE 10 2007 012 815 A1 ist die Kombination eines schnellen und eines langsamen Ablenkungssystem für die Materialbearbeitung mittels UKP-Laser bekannt.
US 2009/0045176 A1 beschreibt die Nutzung eines Bildfelddrehers aus Spiegeln für das Bohren von Löchern mittels eines Bearbeitungs-Laserstrahls. Beim Bearbeiten des Werkstücks und insbesondere beim Bohren eines Lochs in das Werkstück dreht sich der Bildfelddreher permanent und kontinuierlich um eine Drehachse.
US 6,584,218 B2 zeigt eine Kombination eines akusto-optischen Deflektors (AOD), einer Bildfelddrehung und einer Werkstückbewegung beim Bearbeiten des Werkstücks. Zum Zweck der Untersuchung wird das Werkstücks flächig abgerastert.
Das Dokument „Experimental nonmechanical image rotation to 20 angles using an acousto-optic dove prism" von Yong-Seok, Eung GI Paek und Xiao Tang, Opt. Eng. 39(11) 2909–2914 (Nov 2000) zeigt einen Bildfelddreher, der einen Polygonspiegel und einen Satz schnell einstellbarer und/oder umschaltbarer optischer Elemente aufweist, durch die ein elektro-magnetischer Strahl schnell um einen diskreten Rotationswinkel, beispielsweise um 90°, gedreht werden kann.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Vorrichtung zum Ablenken von elektro-magnetischer Strahlung bereitgestellt, die einfach und kompakt ausgebildet ist und die auf einfache Weise ein flexibles Ablenken der elektro-magnetischen Strahlung ermöglicht.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Vorrichtung zum Bestrahlen eines Körpers bereitgestellt, die einfach und kompakt ausgebildet ist und die auf einfache Weise ein flexibles Beobachten oder Bearbeiten einer Probe bzw. eines Werkstücks ermöglicht. Die Vorrichtung zum Bestrahlen eines Körpers ist beispielsweise eine Bearbeitungsvorrichtung, eine Belichtungsvorrichtung, eine Beleuchtungsvorrichtung und/oder eine Beobachtungsvorrichtung, beispielsweise ein Mikroskop.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Ablenken von elektro-magnetischer Strahlung bereitgestellt, das einfach ausgestaltet ist und das auf einfache Weise ein flexibles Ablenken der elektro-magnetischen Strahlung ermöglicht.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Bestrahlen eines Körpers bereitgestellt, das einfach ausgestaltet ist und das auf einfache Weise ein flexibles Beobachten oder Bearbeiten des Körpers ermöglicht. Der Körper ist beispielsweise ein Werkstück, ein Substrat oder eine Probe.
In verschiedenen Ausführungsformen weist eine Vorrichtung zum Ablenken von elektro-magnetischer Strahlung eine erste Strahlablenkeinheit und eine zweite Strahlablenkeinheit auf. Die erste Strahlablenkeinheit hat einen ersten Ablenker zum Ablenken der elektro-magnetischen Strahlung entlang einer ersten Richtung und einen Bildfelddreher zum Drehen der abgelenkten elektro-magnetischen Strahlung um einen vorgegebenen Drehwinkel, wodurch die elektro-magnetische Strahlung in eine effektive Ablenkrichtung abgelenkt ist, die gegenüber der ersten Richtung gedreht ist. Die zweite Strahlablenkeinheit lenkt die gedrehte elektro-magnetische Strahlung entlang einer zweiten Richtung und entlang einer dritten Richtung ab, wobei zumindest eine Richtungskomponente der zweiten Richtung auf der dritten Richtung senkrecht steht.
Ferner kann die Vorrichtung zum Ablenken der elektro-magnetischen Strahlung ein, zwei oder mehr optische Elements zum Beeinflussen der elektro-magnetischen Strahlung in deren Strahlengang aufweisen. Das bzw. die optischen Elements weisen beispielsweise Filter, Spiegel und/oder Linsen auf, beispielsweise ein Objektiv, einen Polarisationsfilter, eine Fokussierlinse, eine Streulinse, eine Kollimationslinse, eine Linse zur Strahlaufweitung, die einen Durchmesser eines kollimierten Strahls vergrößert und/oder eine abbildende Zwischenoptik (Relay-Optik), beispielsweise eine Teleskopoptik, die beispielsweise zwei Linsen, deren Brennpunkt zusammenfällt, aufweist. Die elektro-magnetische Strahlung kann beispielsweise ein Bearbeitungsstrahl, ein Beleuchtungsstrahl, ein Belichtungsstrahl, ein Anregungsstrahl oder ein Beobachtungsstrahl sein. Dass die Ablenkung „entlang” der ersten, zweiten bzw. dritten Richtung erfolgt, kann beispielsweise bedeuten, dass die Ablenkung in der entsprechenden Richtung und genau entgegen der entsprechenden Richtung und/oder entlang einer Richtung oszillierend erfolgt.
Der Bildfelddreher ermöglicht auf einfache und kostengünstige Weise, die entlang der ersten Richtung abgelenkte elektro-magnetische Strahlung zu drehen. In anderen Worten ermöglicht der Bildfelddreher eine Drehung des Bildfeldes der entlang der ersten Richtung abgelenkten elektro-magnetischen Strahlung. Direkt nach dem Bildfelddreher wird die elektro-magnetische Strahlung somit in die effektive Ablenkrichtung abgelenkt, die gegenüber der ersten Richtung gedreht ist. Der vorgegebene Drehwinkel wird beispielsweise von einem Vorschub ab. Falls der Vorschub diskret ist und/oder schritt- oder stufenweise erfolgt, so kann der Drehwinkel dazu korrespondierend sich diskret bzw. schritt- oder stufenweise ändernd vorgegeben werden. Falls der Vorschub kontinuierlich ist und/oder erfolgt, so kann der Drehwinkel dazu korrespondierend sich kontinuierlich verändernd vorgegeben werden.
Auf einem zu bestrahlenden Körper erzeugt die elektro-magnetische Strahlung einen Strahlungspunkt, der auch als Projektionspunkt, Auftreffpunkt oder Lichtpunkt bezeichnet werden kann und/oder der ein Fokus der elektro-magnetischen Strahlung sein kann. Der Strahlungspunkt kann beispielsweise punktförmig, kreisförmig, elliptisch, polygonförmig oder ringförmig sein. Zusätzlich zu dem Strahlungspunkt können mit Hilfe der elektro-magnetischen Strahlung und geeigneten optischen Mitteln mehrere, beispielsweise mehrere nebeneinander liegende, Strahlungspunkte auf dem Körper erzeugt werden. Ferner kann ein Strahlprofil der auf den Körper auftreffenden Strahlung vorgegeben werden, beispielsweise flat-top und/oder rechteckig, so dass jeder der Strahlungspunkte über seine gesamte Fläche eine homogene Intensität aufweist. Dadurch kann beispielsweise ein evtl. notwendiger Überlapp zwischen den einzelnen Strahlungspunkten vermindert werden. Die Verteilung der Intensität innerhalb eines Strahlungspunkt auf dem Körper kann beispielsweise gaußförmig, rechteckig oder zumindest nahezu rechteckig oder ringförmig sein, wobei die ringförmige Intensitätsverteilung beispielsweise in der STET-Mikroskopie Anwendung finden kann.
Der Strahlungspunkt wird aufgrund der Ablenkung der elektro-magnetischen Strahlung entlang der ersten Richtung auf dem Körper entlang einer Bestrahlungsrichtung bewegt. Die Drehung der effektiven Ablenkrichtung aufgrund der Drehung des Bildfeldes bewirkt eine Drehung der Bestrahlungsrichtung auf dem Körper. In anderen Worten treffen die Strahlungspunkte aufeinanderfolgender Strahlungspulse entlang der Bestrahlungsrichtung auf den Körper. Die Drehbarkeit der Bestrahlungsrichtung ermöglicht, die Bestrahlungsrichtung an eine Vorschubrichtung anzupassen. Die Vorschubrichtung wird dabei beispielsweise durch den Verlauf einer Bestrahlungslinie oder abhängig von einem Bestrahlungsmuster, gemäß dem eine Oberfläche des Körpers bestrahlt werden soll, vorgegeben. Beispielsweise kann mit dem auf den Körper treffenden elektro-magnetischen Strahlung eine Bestrahlung des Körpers entlang einer gekrümmte Bestrahlungslinie durch Drehen der Bestrahlungsrichtung in Abhängigkeit von dem Verlauf und/oder der Krümmung der Bestrahlungslinie bzw. in Abhängigkeit von einem aktuell zu bestrahlenden Abschnitt des Bestrahlungsmusters schnell und präzise erfolgen. Die Drehung der effektiven Ablenkrichtung und eine daran gekoppelte Drehung der Bestrahlungsrichtung kann dabei schneller und präziser erfolgen als eine dazu alternative Drehung des Werkstücks.
Die Ablenkung entlang der ersten Richtung kann beispielsweise oszillierend erfolgen. Der Strahlungspunkt oszilliert dann auf dem Körper entlang der Bestrahlungsrichtung.
Der erste Ablenker kann auch als eindimensionaler Scanner bezeichnet werden. Die zweite Strahlablenkeinheit kann auch als zweidimensionaler Scanner bezeichnet werden. Der Bildfelddreher kann auch als Bild drehendes Element oder als Bildrotator bezeichnet werden.
Bei verschiedenen Ausführungsformen lenkt der erste Ablenker die elektro-magnetische Strahlung entlang der ersten Richtung in einem vorgegebenen ersten Winkelbereich ab. Die zweite Strahlablenkeinheit lenkt die elektro-magnetische Strahlung entlang der zweiten Richtung in einem vorgegebenen zweiten Winkelbereich und entlang der dritten Richtung in einem vorgegebenen dritten Winkelbereich ab. Der zweite und/oder der dritte Winkelbereich sind in der Regel größer als der erste Winkelbereich. Der kleinere erste Winkelbereich ermöglicht eine besonders schnelle Ablenkung der elektro-magnetischen Strahlung innerhalb des ersten Winkelbereich, und damit beispielsweise eine schnelle Oszillation des Strahlungspunkts auf dem Körper entlang der Bestrahlungsrichtung. Der größere zweite bzw. dritte Winkelbereich ermöglichen ein präzises Anfahren einer vorgegebenen Position auf dem Körper mit dem Strahlungspunkt.
Das Anfahren einer vorgegebenen Position auf dem Körper mit dem Strahlungspunkt und insbesondere die damit verbundene Bewegung des Strahlungspunkts auf dem Körper kann auch als Vorschub bezeichnet werden. Die Position des Strahlungspunkts auf dem Körper wird mit einer durch die schnelle Ablenkung vorgegebenen Unschärfe im Wesentlichen durch einen Winkel innerhalb des zweiten Winkelbereichs und durch einen Winkel innerhalb des dritten Winkelbereichs vorgegeben. Beispielsweise kann der Strahlungspunkt auf dem Körper entlang der Bearbeitungsrichtung um die vorgegebene Position oszillieren, wobei die vorgegebene Position durch den Vorschub verändert werden kann.
Bei verschiedenen Ausführungsformen lenkt der erste Ablenker die elektro-magnetische Strahlung entlang der ersten Richtung mit einer vorgegebenen ersten Winkelgeschwindigkeit ab. Die zweite Strahlablenkeinheit lenkt die elektro-magnetische Strahlung entlang der zweiten Richtung mit einer vorgegebenen zweiten Winkelgeschwindigkeit und entlang der dritten Richtung mit einer vorgegebenen dritten Winkelgeschwindigkeit ab. Die vorgegebene zweite und die vorgegebene dritte Winkelgeschwindigkeit können kleiner sein als die erste Winkelgeschwindigkeit. Beispielsweise können die vorgegebene erste Winkelgeschwindigkeit die maximale erste Winkelgeschwindigkeit, die vorgegebene zweite Winkelgeschwindigkeit die maximale zweite Winkelgeschwindigkeit und/oder die vorgegebene dritte Winkelgeschwindigkeit die maximale dritte Winkelgeschwindigkeit sein.
Die erste Winkelgeschwindigkeit kann stark variieren, beispielsweise kann die erste Winkelgeschwindigkeit bei einer Oszillationsbewegung an den Umkehrpunkten gleich null sein und dazwischen maximal werden.
Die schnelle, beispielsweise maximal schnelle, Ablenkung entlang der ersten Richtung ermöglicht, gepulste elektro-magnetische Strahlung mit einer hohen Repetitionsrate zu verwenden, beispielsweise ohne dass sich beim Bestrahlen des Körpers einzelne aufeinander folgende Strahlungspunkte der elektro-magnetischen Strahlung auf dem Körper überlappen oder zu stark überlappen. Beispielsweise kann ein Überlapp aufeinander folgender Strahlungspunkte von 0 bis 90% vorgegeben werden. Dies kann dazu beitragen, eine Strahlungsquelle mit einer hohen Strahlungsleistung verwenden zu können, ohne die Qualität der Bestrahlungsergebnisse, beispielsweise der Bearbeitungs-, Belichtungs-, Beleuchtungs- bzw. Beobachtungsergebnisse, zu vermindern. Die Winkelgeschwindigkeiten können variabel sein.
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist der Bildfelddreher ein Wendeprisma (Dove-Prisma) auf. Das Wendeprisma ermöglicht auf einfache und kostengünstige Weise den Bildfelddreher herzustellen. Insbesondere ist keine Justage einzelner Komponenten des Bildfelddrehers nötig.
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist der Bildfelddreher zumindest drei Spiegel auf. Dies kann dazu beitragen, den Bildfelddreher einfach und bei geringen Materialkosten herzustellen und/oder den Einsatz in Verbindung mit einer intensiven und/oder gepulsten Strahlungsquelle zu unterstützen. Beispielsweise kann auch bei einer breitbandigen, intensiven und/oder gepulsten Strahlungsquelle ein Materialdurchgang, ein Auftreten thermischer Effekte und/oder Dispersion vermieden werden. Die Spiegel können auch Elemente einer Polygonspiegelanordnung zur schnellen Bilddrehung sein, beispielsweise einer Polygonspiegelanordnung wie sie aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt ist. Die Spiegel können auch durch spiegelnde Oberflächen gebildet sein, beispielsweise durch Flächen eines Prismas.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist der erste Winkelbereich variabel einstellbar. Der erste Winkelbereich gibt die maximale Ablenkung der elektro-magnetischen Strahlung entlang der ersten Richtung und damit die maximale Ablenkung des Strahlungspunkts auf dem Körper entlang der Bestrahlungsrichtung vor. Dies ermöglicht, eine Amplitude der Bewegung der elektro-magnetischen Strahlung innerhalb des ersten Winkelbereichs abhängig von einem Bestrahlungsmuster oder einer Bestrahlungslinie auf dem Körper einzustellen. Beispielsweise kann an Ecken, Kanten, Kurven, Krümmungen und/oder Rändern des Bestrahlungsmusters bzw. der Bestrahlungslinie die Amplitude kleiner gewählt werden als an einem geradlinigen oder nahezu geradlinigen Abschnitt des Bestrahlungsmusters bzw. der Bestrahlungslinie. Dies kann zu einer Optimierung der Bestrahlungsqualität beitragen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist der erste Ablenker einen akusto-optischen Ablenker, einen elektro-optischen Ablenker und/oder einen schnellen mechanischen Ablenker auf, beispielsweise einen mechanischen Ablenker, der auf Schnelligkeit optimiert ist und/oder beispielsweise ein besonders kleines Scanfeld aufweist. Dies kann dazu beitragen, dass die Ablenkung der elektro-magnetischen Strahlung entlang der ersten Richtung besonders schnell und präzise erfolgt. Der mechanische Ablenker kann beispielsweise einen, zwei oder mehr Spiegel aufweisen, die beispielsweise elektro-magnetisch, elektrostatisch oder piezo-mechanisch verstellbar sind. Beispielsweise weist der erste Ablenker einen, beispielsweise resonant betriebenen, Galvanometerscanner, einen mikromechanischen Scanner, einen Polygonscanner oder einen Piezoscanner auf.
Die zweite Strahlablenkeinheit weist beispielsweise einen, zwei oder mehr mechanische Ablenker auf, beispielsweise einen, zwei oder mehr Polygonscanner und/oder Galvanometerscanner.
In verschiedenen Ausführungsformen weist eine Vorrichtung zum Bestrahlen des Körpers eine Strahlungsquelle zum Erzeugen der elektro-magnetischen Strahlung und eine Vorrichtung zum Ablenken der elektro-magnetischen Strahlung hin zu dem Körper auf, beispielsweise die vorstehend erläuterte Vorrichtung zum Ablenken der elektro-magnetischen Strahlung. Die Strahlungsquelle kann beispielsweise eine Laserstrahlungsquelle sein, beispielsweise ein Ultra-Kurz-Puls-Laser (UKP-Laser). Die Vorrichtung zum Bestrahlen des Körpers kann abhängig von ihrer Verwendung beispielsweise als Bearbeitungsvorrichtung, Beobachtungsvorrichtung, Belichtungsvorrichtung oder Beleuchtungsvorrichtung bezeichnet werden.
In verschiedenen Ausführungsformen weist ein Verfahren zum Ablenken der elektro-magnetischen Strahlung Schritte auf, gemäß denen die elektro-magnetische Strahlung entlang einer ersten Richtung abgelenkt wird, die abgelenkte elektro-magnetische Strahlung um einen vorgegebenen Drehwinkel gedreht wird, wodurch die elektro-magnetische Strahlung in eine effektive Ablenkrichtung abgelenkt ist, die gegenüber der ersten Richtung gedreht ist, und die gedrehte elektro-magnetische Strahlung entlang einer zweiten Richtung und/oder entlang einer dritten Richtung abgelenkt wird. Das Verfahren weist somit eine Änderung des Ablenkwinkels des ersten Ablenkers, der Stellung des Bildfelddrehers und/oder der Ablenkwinkel der zweiten Strahlablenkeinheit auf.
Die Reihenfolge der Abarbeitung der einzelnen Schritte des Verfahrens kann unabhängig von der Reihenfolge der Elemente, beispielsweise der Ablenkeinheiten und/oder des Bildfelddrehers, im Strahlengang der elektro-magnetischen Strahlung sein. Beispielsweise kann die Reihenfolge der Abarbeitung der einzelnen Schritte des Verfahrens abhängig von einem aktuell zu bestrahlenden Abschnitt des Bestrahlungsmusters auf dem Körper sein. Ferner kann beispielsweise die Ablenkung entlang der ersten Richtung schneller als die Ablenkung entlang der zweiten und dritten Richtung erfolgen und/oder ständig modifiziert werden, beispielsweise oszillierend.
Die Drehung des Bildfelddrehers und die damit verbundene Drehung der effektiven Ablenkrichtung der ersten Strahlablenkeinheit kann um den vorgegebenen Drehwinkel erfolgen, wobei die effektive Ablenkrichtung dann beibehalten werden kann, bis die nächste Drehung erfolgt, beispielsweise abhängig von dem aktuell zu bearbeitenden Abschnitt des Bestrahlungsmusters auf dem Körper und damit einem Vorschub auf dem Körper.
Die Ablenkung entlang der zweiten bzw. dritten Richtung kann langsamer erfolgen als entlang der ersten Richtung. Beispielweise kann die Ablenkung entlang der zweiten bzw. dritten Richtung so erfolgen, dass auf dem Körper der Vorschub des oszillierenden Strahlungspunkts entlang des Bestrahlungsmusters erfolgt. Die Ablenkung entlang der zweiten Richtung kann auf dem Körper repräsentativ für eine erste Vorschubrichtung sein und die Ablenkung entlang der dritten Richtung kann auf dem Körper repräsentativ für eine zweite Vorschubrichtung sein, wobei zumindest eine Richtungskomponente der zweiten Vorschubrichtung senkrecht auf der ersten Vorschubrichtung steht. Beispielsweise spannen die beiden Vorschubrichtungen eine X-Y-Ebene auf, die beispielsweise einer Bestrahlungsebene entspricht. Innerhalb der X-Y-Ebene kann jede Vorschubrichtung durch Überlagern der ersten Vorschubrichtung und der zweiten Vorschubrichtung realisiert werden. Beispielsweise kann die Ablenkung entlang der zweiten Richtung einen Vorschub in X-Richtung bewirken und die Ablenkung in Y-Richtung kann einen Vorschub in Y-Richtung bewirken. Die Bestrahlungsebene kann auch als Bearbeitungsebene, Belichtungsebene, Beleuchtungsebene oder Beobachtungsebene bezeichnet werden. Die mittels des ersten Ablenkers und des Bildfelddrehers vorgegebene Bestrahlungsrichtung kann schrittweise oder kontinuierlich an die durch die zweite Strahlablenkeinheit vorgegebene resultierende Vorschubrichtung angepasst werden.
In verschiedenen Ausführungsformen weist ein Verfahren zum Bestrahlen des Körpers Schritte auf, gemäß denen vor der ersten Ablenkung die elektro-magnetische Strahlung erzeugt wird, die elektro-magnetische Strahlung wie vorstehend erläutert erst abgelenkt und dann gedreht wird und gemäß denen die elektro-magnetische Strahlung mittels der Ablenkung entlang der zweiten und dritten Richtung hin zu dem Körper abgelenkt wird. Durch das Bestrahlen kann der Körper bearbeitet, beleuchtet, belichtet, beeinflusst und/oder untersucht werden. Beispielsweise kann als elektro-magnetische Strahlung ein Bearbeitungs-Laserstrahl erzeugt werden, mit dessen Hilfe das Werkstück bearbeitet wird. Alternativ dazu kann als elektro-magnetische Strahlung ein Belichtungsstrahl erzeugt werden, mit dessen Hilfe z. B. Fotolack belichtet wird. Alternativ dazu kann als elektro-magnetische Strahlung ein Beobachtungs- oder Anregungsstrahl erzeugt werden, mit dessen Hilfe eine Probe beobachtet oder angeregt wird.
Bei verschiedenen Ausführungsformen soll der Körper gemäß einem vorgegebenen Bestrahlungsmuster bestrahlt werden. In anderen Worten soll die Ablenkung und/oder Drehung der elektro-magnetischen Strahlung in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Bestrahlungsmuster, beispielseiweise in Abhängigkeit von dem aktuell zu bearbeitenden Abschnitt des Bestrahlungsmusters erfolgen. Dies kann dazu beitragen, die Bearbeitung schnell und präzise durchzuführen.
Das vorgegebene Bestrahlungsmuster kann beispielsweise ein Bestrahlungsmuster auf dem Körper sein. Das Bestrahlungsmuster kann beispielsweise in die Oberfläche des Werkstücks eingearbeitet werden oder das Werkstück kann gemäß dem Bestrahlungsmuster geschnitten werden. Alternativ dazu kann das Bestrahlungsmuster repräsentativ für eine zu beobachtende oder eine anzuregende Struktur einer Probe sein. Das Bestrahlungsmuster kann eine Bearbeitungslinie aufweisen oder eine Bearbeitungslinie sein. Das Bestrahlungsmuster kann beispielsweise ein Bild, eine Schnittkontur, einen Polygonzug, eine geometrische Form oder einen Schriftzug repräsentieren. Alternativ dazu kann mit Hilfe der elektro-magnetischen Strahlung eine Fläche auf dem Körper abgerastert werden, beispielsweise zeilen- oder mäanderförmig, beispielsweise zu Beobachtungs-, Belichtungs-, Beleuchtungs- oder Bearbeitungszwecken.
Die Bestrahlung kann alternativ oder zusätzlich beispielsweise eine lokale Beeinflussung des Materials oder der Materialeigenschaften, beispielsweise eine Verfärbung des Materials, des Körpers sein.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird eine Bestrahlungsreihenfolge in Abhängigkeit einer Form und/oder Erstreckung von Abschnitten des Bestrahlungsmusters ermittelt und das Bestrahlungsmuster wird gemäß der Bestrahlungsreihenfolge bearbeitet.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird eine maximale Ablenkung in der ersten Richtung in Abhängigkeit von dem Bestrahlungsmuster gewählt, beispielsweise in Abhängigkeit von einem aktuell zu bearbeitenden Abschnitt des Bestrahlungsmusters.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird die elektro-magnetische Strahlung in Form von aufeinander folgenden Pulsen, also als gepulste elektro-magnetische Strahlung erzeugt. Bei den Pulsen kann es sich beispielsweise um ultra-kurze Pulse, beispielsweise um ultra-kurze Laserpulse handeln. Beispielsweise können die Pulsdauern kleiner 100 ps oder kleiner 10 ps sein. Dies kann dazu beitragen unterschiedliche Bestrahlungsprozesse, beispielsweise Beobachtungs-, Bearbeitungs-, Belichtungs-, Beleuchtungs- und/oder Anregungsprozesse, ohne und/oder mit wenig thermischer Belastung des Materials des Körpers durchzuführen. Beispielsweise kann Material des Körpers mittels sogenannter „kalter” Ablation abgetragen werden. Allgemein kann eine Akkumulation von störenden Einflüssen vermieden werden.
Eine Erzeugung der Pulse der elektro-magnetischen Strahlung und die Ablenkung der elektro-magnetischen Strahlung können aufeinander abgestimmt werden. In anderen Worten kann die Ablenkung der elektro-magnetischen Strahlung mit der Erzeugung der Pulse synchronisiert werden. Falls beispielsweise eine Strahlungsquelle verwendet wird, bei der die Erzeugung der Pulse gesteuert werden kann, so kann die Taktung der Pulse auf die Ablenkung, beispielsweise die oszillierende Ablenkung entlang der ersten Richtung, und/oder die Drehung abgestimmt werden. Falls beispielsweise eine Strahlungsquelle verwendet wird, bei der die Erzeugung der Pulse fest vorgegeben ist, so kann die Ablenkung, beispielsweise die oszillierende, bzw. die Drehung auf die Taktung der Pulse abgestimmt werden. Die Abstimmung der Pulse auf die Ablenkung bzw. Drehung der elektro-magnetischen Strahlung kann dazu beitragen, dass einzelne Strahlungspunkte genau auf für sie vorgegebene Positionen auf dem Körper gesetzt werden können. Dabei kann das genaue Setzen der Strahlungspunkte relativ zu dem gesamten Körper und/oder relativ zu einer oder mehreren zuvor bestrahlten Positionen auf dem Körper erfolgen.
Die Abstimmung der Ablenkung bzw. Drehung der elektro-magnetischen Strahlung auf die Erzeugung der Pulse kann auf einen optischen Takt der Pulse oder auf einen elektrischen Takt der Strahlungsquelle abgestimmt werden. Der optische Takt der Pulse ist repräsentativ für die Zeitpunkte, an denen die elektro-magnetische Strahlung tatsächlich die Strahlungsquelle verlässt. Der elektrische Takt der Strahlungsquelle ist repräsentativ für die Zeitpunkte, an denen die Strahlungsquelle ein elektrisches Signal zum Erzeugen der Pulse erhält oder erzeugt. Beim genauen Setzen der Strahlungspunkte relativ zu dem gesamten Körper kann eine Kenntnis des optischen Takts ausreichend sein. Beim genauen Setzen der Strahlungspunkte relativ zu einer oder mehreren zuvor bestrahlten Positionen auf dem Körper kann eine Kenntnis des elektrischen Takts ausreichend sein.
Das punktgenaue Setzen der einzelnen Strahlungspunkte auf dem Körper kann dazu beitragen, eine Qualität des Bestrahlungsergebnisses zu verbessern. Ferner kann insbesondere bei Mehrfachbelichtung eine Belichtungsdosis gleichmäßig verteilt werden.
Das Bestrahlungsmuster kann zumindest teilweise aus geraden oder gekrümmten Linienabschnitten zusammengesetzt sein, wobei die Linienabschnitte nicht notwendigerweise zusammenhängen müssen. Beispielsweise kann mit Hilfe des Bestrahlungsmusters eine Vektorbeschriftung gemäß dem Bestrahlungsmuster durchgeführt werden. Die Linienabschnitte können durch einen Satz von lokal unterschiedlichen Linien-Parametern charakterisiert sein. Die Linien-Parameter können beispielsweise Graustufen, Linienstärken und/oder Linienbreiten der Linienabschnitte aufweisen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann eine Bestrahlungsstärke, mit der ein Abschnitt des Bestrahlungsmusters aktuell bestrahlt werden soll, und/oder eine Linienbreite des Abschnitts durch eine Verteilung der Strahlungsdosis eingestellt werden, wobei die Strahlungsdosis mittels der Ablenkung entlang der ersten Richtung und/oder durch Variation der Strahlungsintensität der elektro-magnetischen Strahlung eingestellt werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von beispielhaften Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Bestrahlen eines Körpers;
2 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Ablenken elektro-magnetischer Strahlung;
3 eine schematische Erläuterung einer Ablenkung von elektro-magnetischer Strahlung;
4 ein Ausführungsbeispiel eines Bildfelddrehers;
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Bildfelddrehers;
6 ein Ausführungsbeispiel eines Körpers;
7 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Bestrahlen eines Körpers.
In den Zeichnungen sind Elemente gleicher oder ähnlicher Konstruktion oder Funktion figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zum Bestrahlen eines Körpers 24. Die Vorrichtung 10 zum Bestrahlen des Körpers 24 weist eine Strahlungsquelle 12 auf, die elektro-magnetische Strahlung 14 erzeugt. Der Strahlungsquelle 12 ist eine Vorrichtung zum Ablenken der elektro-magnetischen Strahlung 14 nachgeschaltet, die eine erste Strahlablenkeinheit 16 und eine zweite Strahlablenkeinheit 20 aufweist. Die erste Strahlablenkeinheit 16 lenkt die elektro-magnetische Strahlung 14 entlang einer effektiven Ablenkrichtung ab, so dass abgelenkte elektro-magnetische Strahlung 18 auf die zweite Strahlablenkeinheit 20 trifft. Die zweite Strahlablenkeinheit 20 lenkt die abgelenkte elektro-magnetische Strahlung 18 erneut ab, so dass elektro-magnetische Strahlung 22 auf den Körper 24 auftrifft.
Der Körper 24 ist auf einem Körperhalter 26 angeordnet. Die Strahlungsquelle 12, die erste Strahlablenkeinheit 16 und die zweite Strahlablenkeinheit 20 sind elektrisch mit einer Steuervorrichtung 28 zum Steuern und/oder Regeln der Strahlungsquelle 12, der ersten Strahlablenkeinheit 16 und der zweiten Strahlablenkeinheit 20 gekoppelt. Die Strahlablenkeinheiten 16, 20 weisen optische Mittel zum Ablenken und/oder Führen der elektro-magnetischen Strahlung 14, 18 auf, wobei die optischen Mittel mit nicht dargestellten Stellmitteln gekoppelt sein können. Die Stellmittel können beispielsweise Schrittmotoren oder positionsgeregelte Direktantriebe aufweisen. Ferner können zum Ablenken und/oder Führen der elektro-magnetischen Strahlung akusto- und/oder elektro-optische Ablenker vorgesehen sein, bei denen die Ablenkung intern und/oder nicht-mechanisch erfolgt.
Die Vorrichtung 10 zum Bestrahlen des Körpers 24 ist beispielsweise eine Bearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten des Körpers 24, der in diesem Zusammenhang beispielsweise ein Werkstück, ein Substrat oder eine Probe sein kann. Bei der Bearbeitungsvorrichtung ist die elektro-magnetische Strahlung 14, beispielsweise ein Bearbeitungs-Laserstrahl. Alternativ dazu kann die Vorrichtung 10 zum Bestrahlen des Körpers 24 beispielsweise eine Belichtungsvorrichtung zum Belichten des Körpers 24 sein, der in diesem Zusammenhang beispielsweise ein Substrat sein kann, auf dem beispielsweise Fotolack aufgebracht ist. Alternativ dazu kann die Vorrichtung 10 zum Bestrahlen des Körpers 24 beispielsweise ein Mikroskop zum Untersuchen des Körpers 24 sein, der in diesem Zusammenhang beispielsweise ein Substrat oder eine Probe sein kann, in der beispielsweise Fluoreszenzeffekte beobachtet oder angeregt werden. Bei dem Mikroskop ist die auf den Körper 24 treffende elektro-magnetische Strahlung 22 beispielsweise ein Beobachtungsstrahl und/oder ein Anregungsstrahl.
Die elektro-magnetische Strahlung 14 kann beispielsweise gepulste elektro-magnetische Strahlung sein, beispielsweise ein gepulster Laserstrahl.
Die elektro-magnetische Strahlung 14 ist auf die erste Strahlablenkeinheit 16 gerichtet. Die elektro-magnetische Strahlung 14 kann auch als elektro-magnetischer Strahl bezeichnet werden, der entlang eines Strahlengangs verläuft, wobei der Verlauf des Strahlengangs durch die erste und die zweite Strahlablenkeinheit 16, 20 vorgegeben werden. Die erste Strahlablenkeinheit 16 bewirkt eine erste, schnelle Ablenkung der elektro-magnetischen Strahlung 14, beispielsweise entlang einer ersten Richtung. Die Ablenkung entlang der ersten Richtung bzw. die erste Ablenkung erfolgt innerhalb eines ersten Winkelbereichs. Die erste Ablenkung erfolgt in der ersten Strahlablenkeinheit 16 zunächst eindimensional, ist jedoch mit Hilfe der ersten Strahlablenkeinheit 16 in eine effektive Ablenkrichtung drehbar. Derartig eindimensional abgelenkte und gedrehte elektro-magnetische Strahlung 18 verlässt die erste Strahlablenkeinheit 16 und ist auf die zweite Strahlablenkeinheit 20 gerichtet.
Die zweite Strahlablenkeinheit 20 weist einen zweidimensionalen Scanner auf, der die eindimensional abgelenkte und gedrehte elektro-magnetische Strahlung 18 entlang einer zweiten und/oder entlang einer dritten Richtung abgelenkt. Die Ablenkung entlang der zweiten Richtung erfolgt innerhalb eines zweiten Winkelbereichs und die Ablenkung entlang der dritten Richtung erfolgt innerhalb eines dritten Winkelbereichs. Die nachfolgend auf den Körper 24 treffende abgelenkte und gedrehte elektro-magnetische Strahlung 22 verlässt die zweite Strahlablenkeinheit 20. Im Strahlengang der abgelenkten und/oder gedrehten elektro-magnetischen Strahlung 18, 22 kann vor oder nach der zweiten Strahlablenkeinheit 20 ein nicht dargestelltes Objektiv angeordnet sein, das die auf den Körper 24 auftreffende elektro-magnetische Strahlung 18, 22 auf eine Bestrahlungsebene in oder auf dem Körper 24 fokussiert.
Ein aktueller Winkel innerhalb des zweiten Winkelbereichs wird von der auf den Körper 24 treffenden elektro-magnetische Strahlung 22 in einer Referenzposition und von der auf den Körper 24 treffenden elektro-magnetischen Strahlung 22 in einer aktuellen Position eingeschlossen, wenn die auf den Körper 24 treffende elektro-magnetische Strahlung 22 aktuell ausschließlich entlang der zweiten Richtung abgelenkt ist. Eine Ablenkung entlang der zweiten Richtung bewirkt somit eine Ablenkung innerhalb des zweiten Winkelbereichs.
Ein aktueller Winkel innerhalb des dritten Winkelbereichs wird von der auf den Körper 24 treffenden elektro-magnetischen Strahlung 22 in der Referenzposition und von der auf den Körper 24 treffenden elektro-magnetischen Strahlung 22 in einer aktuellen Position eingeschlossen, wenn die auf den Körper 24 treffende elektro-magnetische Strahlung 22 aktuell ausschließlich entlang der dritten Richtung abgelenkt ist. Eine Ablenkung entlang der dritten Richtung bewirkt somit eine Ablenkung innerhalb des dritten Winkelbereichs.
Die Steuervorrichtung 28 ermöglicht, die Strahlungsquelle 22, die erste Strahlablenkeinheit 16 und/oder die zweite Strahlablenkeinheit 20 zu steuern und/oder zu regeln, beispielsweise durch Ansteuern der Stellmittel der Laserführungen 16, 20. Im Falle einer Regelung sind nicht dargestellte Sensoren vorgesehen, die eine aktuelle Ablenkung und/oder Drehung der elektro-magnetischen Strahlung 14, 18, 22 erfassen. Falls die Strahlungsquelle 12 ein gepulster Laser ist, so kann eine Repetitionsrate der Laserpulse mit einer Ablenkung und/oder Drehung der elektro-magnetischen Strahlung 14 bzw. der abgelenkten elektro-magnetischen Strahlung 18 abgestimmt werden, was weiter unten mit Bezug auf 7 näher erläutert wird.
2 zeigt eine Detailansicht der Vorrichtung 10 gemäß 1. Die erste Strahlablenkeinheit 16 weist einen ersten Ablenker 30 und einen Bildfelddreher 34 auf. Der erste Ablenker 30 lenkt die elektro-magnetische Strahlung 14 entlang der ersten Richtung innerhalb des ersten Winkelbereichs ab. Somit bewirkt der erste Ablenker 30 die erste Ablenkung. Ein aktueller Winkel innerhalb des ersten Winkelbereichs wird von der abgelenkten elektro-magnetischen Strahlung 18 in einer Referenzposition und der abgelenkten elektro-magnetischen Strahlung 18 in einer aktuellen Position eingeschlossen. Eine entlang der ersten Richtung abgelenkte elektro-magnetische Strahlung 32 verlässt den ersten Ablenker 30 und ist auf den Bildfelddreher 34 gerichtet.
Der Bildfelddreher 34 dreht die entlang der ersten Richtung abgelenkte elektro-magnetische Strahlung 32 um einen vorgegebenen Drehwinkel, woraufhin die abgelenkte und in eine effektive Ablenkrichtung um den vorgegebenen Drehwinkel gedrehte elektro-magnetische Strahlung 18 den Bildfelddreher 34 und die erste Strahlablenkeinheit 16 verlässt. Insbesondere dreht der Bildfelddreher 34 den effektiven Ablenkwinkel und das Bildfeld der abgelenkten elektro-magnetischen Strahlung 32.
Da der Bildfelddreher 34 relativ zu dem ersten Ablenker 30 drehbar ist und der erste Ablenker 30 die elektro-magnetische Strahlung 14 variabel ablenkt, steht der Bildfelddreher 34 abhängig von seiner Position und abhängig von der Ablenkung der elektro-magnetischen Strahlung 14 in variablem Winkel zu einem Strahlengang der abgelenkten elektro-magnetischen Strahlung 32 und in einem variablen Winkel zur Polarisationsrichtung der abgelenkten elektro-magnetischen Strahlung 32. Um zu vermeiden, dass die Polarisationsrichtung einen Einfluss auf die Wirkung des Bildfelddrehers 34 hat, kann die elektro-magnetische Strahlung 14, 32 vor der Drehung polarisiert werden. Beispielsweise kann die elektro-magnetische Strahlung 14, 32 im Strahlgang vor dem Bildfelddreher 34 linear polarisiert werden. Beispielsweise kann eine drehbar gelagerte λ/2-Verzögerungsplatte vor dem Bildfelddreher 34 die Polarisation synchron mit dessen aktueller Drehposition (Lage) mitdrehen, so dass die Polarisation relativ zum Bildfelddreher 34 immer gleich ausgerichtet ist. Optional kann nach dem Bildfelddreher 34 der Polarisationszustand durch eine entsprechende Anordnung wieder zurücktransformiert werden.
Alternativ dazu könnte die elektro-magnetische Strahlung 14, 32 vor dem Bildfelddreher 34 zirkular polarisiert werden. Die dann auftretenden optischen Verluste wären in jeder Drehposition des Bildfelddrehers 34 gleich und damit unabhängig von der Drehstellung des Bildfelddrehers 34. Im Strahlengang nach dem Bildfelddreher 34 kann dann die gedrehte elektro-magnetische Strahlung 18 eine elliptische Polarisation aufweisen, die optional durch eine weitere mitgedrehte Verzögerungsplatte in eine gewünschte Polarisationsform überführt werden kann.
Alternativ oder in Kombination mit einer der beiden zuvor genannten Methoden kann ein von der Stellung des Bildfelddrehers abhängiger Leistungsverlust (z. B. aufgrund von Polarisationseffekten) auch durch eine geeignete Einstellung oder Regelung der Leistung der elektro-magnetischen Strahlung kompensiert werden.
Mit Hilfe der ersten Strahlablenkeinheit 16 kann somit die elektro-magnetische Strahlung 14 in eine Richtung, beispielsweise die erste Richtung, schnell abgelenkt werden, beispielsweise oszillierend, und die entlang der ersten Richtung abgelenkte elektro-magnetische Strahlung 32 kann gedreht werden, beispielsweise um den vorgegebenen Drehwinkel, so dass bei schneller Ablenkung die effektive Ablenkrichtung frei gewählt, eingestellt und/oder nachgeführt werden kann.
3 erläutert schematisch die Wirkung der ersten Ablenkung in einer ersten Teilfigur I, die Wirkung der Drehung in einer zweiten Teilfigur II und das Zusammenwirken der Ablenkung in die zweite und dritte Richtung und der Drehung in einer dritten Teilfigur III und einer vierten Teilfigur IV.
In 3 stellen die kleinen Kreise Strahlungspunkte auf dem Körper 24 dar, die durch einzelne Pulse der bei der Bestrahlung auf den Körper 24 treffenden elektro-magnetischen Strahlung 22 erzeugt werden. Beispielsweise sind die Kreise in 3 repräsentativ für durch einzelne Bearbeitungs-Laserpulse erzeugte Bearbeitungspunkte auf einem Werkstück.
Die durchgezogenen Pfeile kennzeichnen eine Bestrahlungsrichtung auf dem Körper 24 entlang der die elektro-magnetische Strahlung 14 aufgrund der Ablenkung und/oder Drehung mittels der ersten Strahlablenkeinheit 16 abgelenkt wird und entlang der die einzelnen Strahlungspunkte aufeinander folgender Pulse auf den Körper 24 treffen. In anderen Worten kennzeichnet die Bestrahlungsrichtung auf dem Körper 24 die Richtung, die aus der Ablenkung mittels der ersten Strahlablenkeinheit 16 resultiert. Die Bestrahlungsrichtung kann auch als Bearbeitungsrichtung, Beobachtungsrichtung, Belichtungsrichtung oder Beleuchtungsrichtung bezeichnet werden.
Die gestrichelten Pfeile kennzeichnen in 3 ein Bestrahlungsmuster gemäß dem der Körper 24 bestrahlt wird und somit eine Vorschubrichtung in der die Bestrahlung erfolgt. In anderen Worten kann durch den Vorschub das Bestrahlungsmuster abgefahren werden. In anderen Worten gibt das Bestrahlungsmuster die Vorschubrichtung vor. Beispielsweise wird bei einer Bearbeitungsvorrichtung das zu bearbeitende Werkstück entlang der gestrichelten Pfeile geschnitten oder es wird ein Bestrahlungsmuster, das die gestrichelten Pfeilen aufweist, in die Oberfläche des Werkstücks eingebracht. Die gestrichelten Pfeile kennzeichnen somit den durch die zweite Strahlablenkeinheit verursachten Vorschub.
Die in Teilfigur I gezeigte erste Ablenkung erfolgt entlang der ersten Richtung beispielsweise derart schnell, dass sich im Falle einer gepulsten Strahlungsquelle die einzelnen Strahlungspunkte auf der Oberfläche des Werkstücks 24 nicht oder nur begrenzt überlappen. Beispielsweise kann ein Überlappungsgrad zwischen 0 und 90%, zwischen 30 und 70%, oder etwa 50% betragen. Die erste Ablenkung wird bewirkt durch die Ablenkung entlang der ersten Richtung mittels des ersten Ablenkers 30.
Im Falle einer kontinuierlichen Strahlungsquelle symbolisieren die dargestellten Strahlungspunkte in einem schnellen zeitlichen Raster aufeinanderfolgende Momentaufnahmen der Strahlungspunkte. Die dargestellte räumliche Trennung der Strahlungspunkte symbolisiert in diesem Bezug die schnelle räumlich Verteilung der Strahlungsdosis durch die schnelle Ablenkung entlang der ersten Richtung.
Die in Teilfigur II gezeigte Drehung bewirkt eine Drehung effektiven Ablenkrichtung der ersten Strahlablenkeinheit 16 und damit eine Drehung der Bestrahlungsrichtung auf dem Körper 24. Die Drehung wird bewirkt durch den Bildfelddreher 34.
Mit Hilfe der zweiten Ablenkung und dritten Ablenkung kann der Körper 24 gemäß einem beliebigen Bestrahlungsmuster und/oder gemäß einer beliebigen Bestrahlungslinie bearbeitet werden. In anderen Worten kann mit Hilfe der zweiten und dritten Ablenkung die auf den Körper 24 treffende elektro-magnetische Strahlung 22 und insbesondere der entsprechende Strahlungspunkt zu jeder beliebigen Position innerhalb eines zugänglichen Bearbeitungsfeldes auf der Oberfläche des Körpers 24 geführt werden. Abhängig von der Position kann die Bestrahlung des Körpers 24 mit Hilfe der Drehung zumindest mit einer Richtungskomponente parallel oder senkrecht zu einem Abschnitt eines Bestrahlungsmusters erfolgen, wobei in Teilfigur III und in Teilfigur IV zwei beispielhafte mögliche Orientierungen der Bestrahlungsrichtung und der Vorschubrichtung zueinander, also der Richtungen der beiden überlagerten Scanbewegungen der ersten Strahlablenkeinheit 16 und der zweiten Strahlablenkeinheit 20 zueinander, dargestellt sind.
Beispielsweise erfolgt gemäß der in Teilfigur III gezeigten Ablenkung der Vorschub senkrecht zu der Bestrahlungsrichtung. In anderen Worten steht die Bestrahlungsrichtung zu jeder Zeit senkrecht auf der Vorschubrichtung. Beispielsweise erfolgt eine Verbreiterung der Linien des Bestrahlungsmusters durch schnelle Verteilung des Laserlichts quer zur langsamen Vorschubrichtung.
Alternativ dazu erfolgt gemäß der in Teilfigur IV gezeigten Ablenkung der Vorschub parallel zu der Bestrahlungsrichtung. In anderen Worten ist die Bestrahlungsrichtung zu jeder Zeit parallel zu der Vorschubrichtung. Beispielsweise erfolgt eine Mehrfachbelichtung des abgefahrenen Linienzugs auf dem Körper 24. Unabhängig von der Art der Ablenkung kann die Bestrahlungsrichtung eine Richtungskomponente aufweisen, die aus der Ablenkung in die zweite und/oder dritte Richtung mittels der zweiten Strahlablenkeinheit 20 resultiert. Dies kann bei der Bestrahlung des Körpers 24 beispielsweise durch einen entsprechenden Algorithmus berücksichtigt werden.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Bildfelddrehers 34, der in diesem Ausführungsbeispiel ein Wendeprisma 36 aufweist. Das Wendeprisma 36 ist um eine Drehachse 38 drehbar gelagert. In 4 ist die elektro-magnetische Strahlung 32, 18 als räumlich ausgedehnter Strahl dargestellt, wobei eine Strahlachse des Strahls durch Strich-Punkt-Linien dargestellt ist und wobei die radial äußeren Ränder das Strahls durch durchgezogene Linien dargestellt sind. Die aus dem ersten Ablenker 30 tretende elektro-magnetische Strahlung 32 trifft auf eine Eintrittsfläche des Wendeprismas 36 und wird innerhalb des Wendeprismas 36 hin zu einer Basis des Wendeprismas 36 abgelenkt, wobei in 4 zur Vereinfachung der Darstellung von einer Neutralstellung des ersten Ablenkers 30 ausgegangen wird, in der die abgelenkte elektro-magnetische Strahlung 32 lediglich in sich gedreht wird. Bei abgelenkter elektro-magnetischer Strahlung 32 entsteht ein komplexerer Strahlengang in dem Bildfelddreher 34. Die abgelenkte elektro-magnetische Strahlung 32 wird von der Basis des Wendeprismas 36 zu einer Austrittsfläche des Wendeprismas 36 reflektiert und tritt an dieser als gedrehte elektro-magnetische Strahlung 18 aus, wobei auch die Richtung der Ablenkung gedreht ist.
Das Wendeprisma 36 ist mit zumindest einem nicht dargestellten Stellmittel gekoppelt, beispielsweise mechanisch gekoppelt. Das Stellmittel bewirkt in Reaktion auf ein Ansteuersignal der Steuervorrichtung 28 die Drehung des Wendeprismas 36. Die Drehung des Wendeprismas 36 bewirkt eine Drehung der effektiven Ablenkrichtung der ersten Strahlablenkeinheit 16 und damit eine Drehung der Bestrahlungsrichtung auf dem Körper 24.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Bildfelddreher 34 eine Spiegelanordnung aufweist. Die Spiegelanordnung weist einen ersten Spiegel 40, einen zweiten Spiegel 42 und einen dritten Spiegel 44 auf. Die Funktionsweise der Spiegelanordnung entspricht grundsätzlich der Funktionsweise des Wendeprismas 36. Die abgelenkte elektro-magnetische Strahlung 32 trifft auf den ersten Spiegel 40, der die abgelenkte elektro-magnetische Strahlung 32 hin zu dem zweiten Spiegel 42 reflektiert. Der zweite Spiegel 42 reflektiert die abgelenkte elektro-magnetische Strahlung 32 hin zu dem dritten Spiegel 42. Dadurch wird die abgelenkte elektro-magnetische Strahlung 32 gedreht. Der dritte Spiegel 42 reflektiert die abgelenkte und gedrehte elektro-magnetische Strahlung 18 hin zu der zweiten Strahlablenkeinheit 20. Die Spiegel 40, 42, 44 der Spiegelanordnung können über nicht dargestellte Haltemittel miteinander verbunden sein. Die Spiegelanordnung ist entsprechend dem Wendeprisma 36 um die Drehachse 38 drehbar gelagert.
Die Spiegelanordnung ist mit zumindest einem nicht dargestellten Stellmittel beispielsweise mechanisch gekoppelt. Das Stellmittel bewirkt in Reaktion auf ein Ansteuersignal der Steuervorrichtung 28 eine Drehung der Spiegelanordnung. Alternativ oder zusätzlich kann einer oder können mehrere der Spiegel 40, 42, 44 mit einem oder mehreren entsprechenden Stellmitteln mechanisch gekoppelt sein, wodurch der bzw. die entsprechenden Spiegel 40, 42, 44 individuell steuerbar sind. Die Drehung der Spiegelanordnung bewirkt eine Drehung der effektiven Ablenkrichtung und damit der Bestrahlungsrichtung auf dem Körper 24. Alternativ zu der gezeigten Spiegelanordnung kann beispielsweise ein Bildfelddreher mit einer weiteren Spiegelanordnung vorgesehen sein, beispielsweise mit einem Polygonspiegel, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist.
6 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des Körpers 24, der in diesem Ausführungsbeispiel ein zu bearbeitendes Werkstück ist. Auf der Oberfläche des Werkstücks ist ein vorgegebenes Bestrahlungsmuster 50 dargestellt. Das Bestrahlungsmuster 50 kann in diesem Zusammenhang auch als Bearbeitungsmuster bezeichnet werden. Das vorgegebene Bestrahlungsmuster 50 ist beispielsweise rechteckig und/oder ein rechteckiger Polygonzug. Das vorgegebene Bestrahlungsmuster 50 weist beispielsweise eine erste und eine zweite Seite 52, 54 auf, die parallel zueinander sind, und eine dritte und eine vierte Seite 56, 58, die ebenfalls parallel zueinander ausgebildet sind. Die erste und die zweite Seite 52, 54 stehen senkrecht auf der dritten und der vierten Seite 56, 58. Alternativ oder zusätzlich kann das Bestrahlungsmuster 50 ein beliebiges Polygon und/oder krumme oder gebogene Linien, beispielsweise einen Schriftzug oder ein Bild, aufweisen.
In 6 sind die durchgezogenen Pfeile repräsentativ für eine erste Vorschubrichtung 61 und ein zweite Vorschubrichtung 63, entlang denen das Bearbeitungsmuster 50 abfahren und/oder bestrahlt werden kann. Beispielsweise erfolgt der Vorschub in die erste Vorschubrichtung 61 durch eine Ablenkung der gedrehten elektro-magnetischen Strahlung 18 entlang der zweiten Richtung und der Vorschub in die zweite Richtung 63 erfolgt durch eine Ablenkung der gedrehten elektro-magnetischen Strahlung 18 entlang der dritten Richtung. Durch Überlagern der ersten und der zweiten Vorschubrichtung 61, 63 kann eine tatsächliche resultierende Vorschubrichtung vorgegeben werden.
In 6 sind die gestrichelten Pfeile repräsentativ für eine maximale Auslenkung der schnellen Bewegung der Strahlungspunkte auf dem Werkstück, wobei die Bestrahlungsrichtung gemäß der Ablenkung IIIb aus 3 parallel zur Vorschubrichtung entlang des Bearbeitungsmusters 50 erfolgt. Beispielsweise erfolgt von den Enden der vierten Seite 58 des Bestrahlungsmusters 50 beabstandet eine relativ große Ablenkung 60 der auf den Körper 24 treffenden elektro-magnetischen Strahlung 22 und an den Enden der vierten Seite 58 erfolgt eine relativ geringe Ablenkung 62 der auf den Körper 24 treffenden elektro-magnetische Strahlung 22. Die Bestrahlungsrichtung ist dabei zum Vereinfachen der Darstellung jeweils ausschließlich parallel zu der zweiten Vorschubrichtung 63. Dies kann dazu beitragen, beispielsweise einen Übergang von der vierten Seite 58 zu der zweiten Seite 54 präzise auszubilden. Bei dem Übergang kann dann die Bestrahlungsrichtung angepasst werden, beispielsweise so, dass sie nach wie vor parallel zur aktuellen Vorschubrichtung ist.
Die unterschiedlich großen Ablenkungen können beispielsweise durch Einstellen unterschiedlich großer erster Winkelbereiche erzielt werden. Beispielsweise kann die relativ große Ablenkung durch einen relativ großen ersten Winkelbereich erzielt werden und die relativ kleine Ablenkung kann durch einen relativ kleinen ersten Winkelbereich erzielt werden.
Eine Bestrahlungsintensität und/oder eine Bestrahlungsreihenfolge, mit der das Bestrahlungsmuster 50 bestrahlt wird, kann beispielsweise abhängig von dem Bestrahlungsmuster 50 gewählt werden. Beispielsweise können zuerst alle Abschnitte des Bestrahlungsmusters 50, die parallel zueinander ausgebildet sind, nacheinander bestrahlt werden. Beispielsweise können zuerst die erste Seite 52 und dann die zweite Seite 54 bestrahlt werden. Nachfolgend kann eine Drehung der Bestrahlungsrichtung erfolgen und dann können beispielsweise die dritte Seite 56 und dann die vierte Seite 58 bearbeitet werden.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Bestrahlen eines Körpers, beispielsweise zum Bestrahlen des Körpers 24.
In einem Schritt S2 wird die elektro-magnetische Strahlung 14 erzeugt, beispielsweise mit Hilfe der Strahlungsquelle 12. Beispielsweise kann die elektro-magnetische Strahlung 14 als gepulste elektro-magnetische Strahlung, beispielsweise als gepulster Laserstrahl erzeugt werden. Eine Laserpulsfrequenz (Pulsrate) kann beispielsweise zwischen 100 kHz und 100 MHz, beispielsweise zwischen 1 MHz und 50 MHz liegen. Eine Pulsdauer der gepulsten Laserstrahlung kann beispielsweise kleiner 100 ps sein und/oder beispielsweise zwischen 0,5 und 10 ps oder sogar darunter liegen. Derartig kurze Pulsdauern ermöglichen beispielsweise bei der Materialbearbeitung eine kalte Ablation. Eine Laserleistung kann beispielsweise bei einem UKP-Laser zur Mikromaterialbearbeitung im Bereich von 1 W bis 5 kW, beispielsweise zwischen 10 und 500 W, beispielsweise zwischen 20 und 100 W liegen, beispielsweise bei Frequenzen zwischen 20 kHz und 50 MHz, beispielsweise zwischen 100 kHz und 5 MHz, wobei elektro-magnetische Strahlung 14 verschiedener Wellenlängen möglich ist.
In einem Schritt S4 wird die elektro-magnetische Strahlung 14 in die erste Richtung abgelenkt, beispielsweise mit Hilfe des ersten Ablenkers 30. Die elektro-magnetische Strahlung 14 wird entlang der ersten Richtung mit einer ersten Winkelgeschwindigkeit abgelenkt. Die Ablenkung entlang der ersten Richtung erfolgt innerhalb des ersten Winkelbereichs. Die Ablenkung entlang der ersten Richtung kann beispielsweise auch als schnelle Ablenkung oder erste Ablenkung I bezeichnet werden. Die schnelle Ablenkung kann beispielsweise derart schnell erfolgen, dass die Strahlungspunkte aufeinander folgender Laserpulse auf dem Körper 24 nicht überlappen oder zumindest nicht zu stark überlappen, wobei ein Überlappungsgrad beispielsweise zwischen 0 und 90%, zwischen 30 und 70% oder etwa 50% betragen kann. Die erste Winkelgeschwindigkeit wird beispielsweise in Abhängigkeit der Laserpulsfrequenz und einem Durchmesser der Strahlungspunkte der auf den Körper 24 treffenden elektro-magnetische Strahlung 22 gewählt. Die Ablenkung entlang der ersten Richtung erfolgt beispielsweise oszillierend, beispielsweise dreieck-förmig oder sägezahn-förmig oszillierend.
Beispielsweise kann bei einer Strahlungspunktgröße von ca. 50 μm, einem Überlappungsgrad der Strahlungspunkte von ca. 50% und einer Repetitionsrate von 3 MHz eine Scangeschwindigkeit von ca. 75 m/s eingestellt werden. Außerdem kann eine Anzahl optisch getrennt auflösbarer Positionen auf dem Körper 24, die ein Scanner pro Zeit ansteuern kann, eingestellt werden. Bei akusto-optischen Ablenkern sind beispielsweise Pixelraten von 0 MHz bis ca. 2 MHz mit oder ohne Sprüngen von Strahlungspunkt zu Strahlungspunkt möglich. Darüber hinaus sind mit akusto-optischen Ablenkern Pixelraten über 10 MHz bis hin zu beispielsweise 50 MHz oder mehr möglich. Die technisch realisierbare maximal mögliche Pixelrate kann beispielsweise von einer gewünschten Amplitude, einer gewünschten Wellenlänge, einer gewünschten Pulsdauer und/oder einer gewünschten Durchschnittsstrahlungsleistung abhängen.
In einem Schritt S6 wird die abgelenkte elektro-magnetische Strahlung 32 gedreht, beispielsweise mit Hilfe des Bildfelddrehers 34. Bei der Drehung wird die Bestrahlungsrichtung gedreht. Die Drehung erfolgt in Abhängigkeit von einem aktuell zu bearbeitenden Abschnitt des Bestrahlungsmusters 50 und abhängig von dem vorzunehmenden Bearbeitungsschritt. Falls beispielsweise der Körper 24 entlang der ersten Seite 52 geschnitten werden soll, so kann die Drehung so vorgenommen werden, dass die Bestrahlungsrichtung parallel zu dem aktuell zu bearbeitenden Abschnitt des Bestrahlungsmusters 50, beispielsweise der ersten Seite 52, und/oder der aktuellen Vorschubrichtung ist. Die Strahlungspunkte der einzelnen Laserpulse der auf den Körper 24 treffenden elektro-magnetischen Strahlung 22 wandern dann entlang der ersten Seite 52 mehrmals hin und zurück, wodurch der Körper 24 entlang der ersten Seite 52 mehrfach belichtet und geschnitten wird.
Falls beispielsweise die Oberfläche des Körpers 24 entlang der ersten Seite 52 mit einer vorgegebenen Oberflächenstruktur versehen und/oder ein breiter Linienabschnitt eingearbeitet werden soll, so kann die Drehung so vorgenommen werden, dass die Bestrahlungsrichtung senkrecht auf dem aktuell zu bearbeitenden Abschnitt des Bestrahlungsmusters 50, beispielsweise der ersten Seite 52, steht. Die Strahlungspunkte der Laserpulse wandern dann senkrecht zu der ersten Seite 52 mehrmals über die erste Seite 52 und zurück, wodurch in die Oberfläche des Werkstücks 24 entlang der ersten Seite 52 die vorgegebene Oberflächenstruktur eingebracht wird. Bei einem Übergang von der ersten oder zweiten Seite 52, 54 zu der darauf senkrecht stehenden dritten oder vierten Seite 56, 58 kann die Bestrahlungsrichtung dann entsprechend gedreht werden, beispielsweise um neunzig Grad. Falls das Bestrahlungsmuster 50 eine gebogene oder gekrümmte Linie aufweist, so kann die Bestrahlungsrichtung beispielsweise so gedreht werden, dass sie beispielsweise zu jedem Zeitpunkt senkrecht oder parallel zu einer Tangente an die gebogene bzw. gekrümmte Linie ist.
In einem Schritt S8 wird die abgelenkte und gedrehte elektro-magnetische Strahlung 18 in die zweite bzw. dritte Richtung abgelenkt. Die elektro-magnetische Strahlung 14 wird entlang der zweiten Richtung mit einer zweiten Winkelgeschwindigkeit und entlang der dritten Richtung mit einer dritten Winkelgeschwindigkeit abgelenkt. Beispielsweise ist die maximale erste Winkelgeschwindigkeit größer als die zweite und/oder dritte Winkelgeschwindigkeit. Somit erfolgt in dem Schritt S4 eine schnelle Ablenkung und in dem Schritt S8 erfolgt eine langsame Ablenkung. Die Ablenkung entlang der zweiten Richtung erfolgt innerhalb des zweiten Winkelbereichs und die Ablenkung entlang der dritten Richtung erfolgt innerhalb des dritten Winkelbereichs. Die Ablenkung entlang der zweiten bzw. dritten Richtung kann auch als langsame Ablenkung oder zweite und dritte Ablenkung bezeichnet werden. Beispielsweise bewirkt die Ablenkung entlang der zweiten Richtung eine Ablenkung der Strahlungspunkte auf dem Körper 24 in X-Richtung und eine Ablenkung entlang der dritten Richtung bewirkt eine Ablenkung der Strahlungspunkte auf dem Körper 24 in Y-Richtung. Wobei die X-Achse und die Y-Achse eine Bestrahlungsebene aufspannen, die beispielsweise parallel zu einer Oberfläche des Körpers 24 ist.
Mit Hilfe der zweiten bzw. dritten Ablenkung kann der Strahlungspunkt der auf den Körper 24 treffenden elektro-magnetischen Strahlung 22 an jede beliebige Position auf der Oberfläche des Werkstücks 24 geführt werden. Somit können über die zweite und die dritte Ablenkung ein zu bestrahlender Abschnitt des Körpers 24 und eine Bestrahlungsreihenfolge, gemäß der das Bestrahlungsmuster 50 abgearbeitet wird, eingestellt werden und über die Drehung kann die Bestrahlungsrichtung, entlang der die Strahlungspunkte aufeinander folgender Laserpulse auf den Körper 24 treffen, gewählt werden. Beispielsweise können zuerst alle zueinander parallelen Abschnitte des Bestrahlungsmusters 50 nacheinander bearbeitet werden, ohne die Bestrahlungsrichtung zu drehen. Abschnitte des Bestrahlungsmusters 50, die die Drehung der Bestrahlungsrichtung erfordern, können dann anschließend bearbeitet werden. Ein solches Verfahren kann dazu beitragen den Gesamtzeitbedarf für die Abarbeitung eines Satzes von Bestrahlungsmustern zu reduzieren oder zu optimieren.
In einem Schritt S10 wird der Körper 24 mit Hilfe der auf den Körper 24 treffenden elektro-magnetische Strahlung 22 bearbeitet. Die Erzeugung der Laserpulse und insbesondere deren Taktung und die Ablenkung und/oder Drehung der elektro-magnetischen Strahlung können aufeinander abgestimmt sein. Beispielsweise kann die Ablenkung und/oder Drehung an die Zeitfolge der Laserpulsereignisse angepasst werden oder die Zeitfolge der Laserpulsereignisse kann an die Ablenkung und/oder Drehung angepasst werden. Dies ermöglicht die einzelnen Strahlungspunkte punktgenau relativ zu dem Körper 24 und/oder relativ zu einander auf dem Körper 24 zu positionieren. Insbesondere können so punktgenau einzelne Soll-Positionen auf dem Körper bestrahlt werden. Zu diesem Zweck können beispielsweise die Laserpulse erfasst, gesteuert und/oder geregelt werden.
Ferner kann beim Abarbeiten des Verfahrens zusätzlich eine Fokussierung der auf den Körper 24 treffenden elektro-magnetischen Strahlung 22 auf oder in dem Körper 24 erfolgen. In anderen Worten kann ein Fokuspunkt der elektro-magnetischen Strahlung senkrecht zu einer Oberfläche des Körpers 24 verschoben werden. Beispielsweise kann der Fokuspunkt parallel zu einer Z-Achse verschoben werden, die senkrecht auf der X- und Y-Achse steht. Dadurch kann beispielsweise die Oberfläche des Körpers 24 gleichmäßig bestrahlt werden, auch wenn sie unregelmäßig ist und/oder Stufen oder Plateaus aufweist. Alternativ dazu kann zum Beispiel gezielt ein im Körper 24 liegender Bereich bestrahlt werden. Dies kann beispielsweise im Bereich der Mikroskopie vorteilhaft sein. Ferner kann durch eine unterschiedlich starke Fokussierung eine unterschiedliche Belichtungsdosis eingestellt werden.
Ferner kann beim Abarbeiten des Verfahrens eine Abweichung der Ausrichtung der Achsen, um die die elektro-magnetische Strahlung 14, 32, 18 beim Ablenken und/oder Drehen abgelenkt bzw. gedreht wird, kompensiert werden. Die Abweichungen der Ausrichtung der Achsen können beispielsweise zu einer Verschlechterung der Präzision der Bestrahlung des Körpers 24 führen. Beispielsweise kann die Drehachse des Bildfelddrehers 34 außerhalb der Ebene liegen, die von den unterschiedlichen Strahlengängen der abgelenkten elektro-magnetischen Strahlung 32 vor dem Bildfelddreher 34 aufgespannt wird. Die Drehung des Bildfelddreher 34 kann dann eine Drehung der Bestrahlungsrichtung auf dem Körper 24 um einen Punkt bewirken, der nicht auf dem Bestrahlungsmuster 50 sondern daneben liegt, beispielsweise neben einem Linienelement des Bestrahlungsmusters 50. Diese und ähnliche Abweichungen können beispielsweise empirisch, beispielsweise durch Testmuster ausgemessen werden und in Parameter zur Berechnung von Korrekturwerten, beispielsweise abhängig von der Stellung des Bildfelddrehers 34, überführt werden. Die Korrekturwerte können dann beim Durchführen des Verfahrens zum Bestrahlen des Körpers 24 berücksichtigt werden, um die vorher im optischen System entstandene Abweichung auszugleichen.
Das Bestrahlungsmuster 50 kann Bereiche aufweisen, die belichtet werden sollen und solche die weniger belichtet werden sollen. Abhängig von dem aktuell zu bearbeitenden Abschnitt des Bestrahlungsmusters 50 kann eine Belichtungsdosis eingestellt und/oder geregelt werden. Die Belichtungsdosis kann beispielsweise über eine Amplitude der schnellen Ablenkung und/oder eine Intensität der auf den Körper auftreffenden elektro-magnetischen Strahlung 22 erfolgen. Die Intensität kann beispielsweise über die Strahlungsquelle 12 und/oder ein zusätzliches Element und/oder, falls der erste Ablenker 30 ein akusto-optischer Ablenker ist, über den ersten Ablenker 30 einfach und schnell eingestellt und/oder angepasst werden.
Beispielsweise kann beim Bestrahlen krummer Abschnitte des Bestrahlungsmusters 50 und einer dazu tangential ausgerichteten Bestrahlungsrichtung die Amplitude der schnellen Ablenkung und/oder die Intensität der auf den Körper 24 auftreffenden elektro-magnetischen Strahlung 22 abhängig von der lokalen Krümmung des Abschnitts so eingestellt werden, dass in tangentialer Richtung zu dem Abschnitt eine vorgebbare maximale Abweichung der Bestrahlungsdosis erfolgt.
Beispielsweise kann beim Bestrahlen eckiger oder kurvenförmiger Abschnitte des Bestrahlungsmusters 50 und einer dazu senkrecht ausgerichteten Bestrahlungsrichtung, beispielsweise zum Verbreitern einer Linie des Abschnitts des Bestrahlungsmusters 50 die Amplitude der schnellen Ablenkung und/oder die Intensität der auf den Körper 24 auftreffenden elektro-magnetischen Strahlung 22 abhängig von der lokalen Krümmung oder der Ecke des Abschnitts so eingestellt werden, dass beispielsweise im Inneren der Kurve bzw. der Ecke die Bestrahlungsdosis vermindert wird, um beispielsweise eine Überbelichtung zu vermeiden.
In gleicher oder ähnlicher Weise kann die Anpassung der Amplitude der schnellen Ablenkung bzw. der Intensität der auf den Körper 24 auftreffenden elektro-magnetischen Strahlung 22 auch bei anderen speziellen Mustern 50, beispielsweise Beschriftungsmustern, hilfreich bei der Optimierung der Bestrahlungsstrategie sein.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann die Bestrahlungsrichtung parallel oder senkrecht zu einem zu bearbeitenden Abschnitt des Bestrahlungsmusters 50 oder mit einem beliebigen Winkel dazu eingestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007012815 A1 [0012]
US 2009/0045176 A1 [0013]
US 6584218 B2 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Experimental nonmechanical image rotation to 20 angles using an acousto-optic dove prism” von Yong-Seok, Eung GI Paek und Xiao Tang, Opt. Eng. 39(11) 2909–2914 (Nov 2000) [0015]

Claims

Vorrichtung zum Ablenken von elektro-magnetischer Strahlung (14), aufweisend: – eine erste Strahlablenkeinheit (16) mit einem ersten Ablenker (30) zum Ablenken von elektro-magnetischer Strahlung (14) entlang einer ersten Richtung und mit einem Bildfelddreher (34) zum Drehen der abgelenkten elektro-magnetischen Strahlung (32) um einen vorgegebenen Drehwinkel, wodurch die gedrehte elektro-magnetische Strahlung (18) in eine effektive Ablenkrichtung abgelenkt ist, die gegenüber der ersten Richtung gedreht ist; – eine zweite Strahlablenkeinheit (20) zum Ablenken der gedrehten elektro-magnetischen Strahlung (18) entlang einer zweiten Richtung und entlang einer dritten Richtung, wobei zumindest eine Richtungskomponente der zweiten Richtung auf der dritten Richtung senkrecht steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Ablenker (30) die elektro-magnetische Strahlung (14) entlang der ersten Richtung in einem vorgegebenen ersten Winkelbereich ablenkt und bei der die zweite Strahlablenkeinheit (20) die gedrehte elektro-magnetische Strahlung (18) entlang der zweiten Richtung in einem vorgegebenen zweiten Winkelbereich und entlang der dritten Richtung in einem vorgegebenen dritten Winkelbereich ablenkt, wobei der zweite und/oder der dritte Winkelbereich größer sind als der erste Winkelbereich.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der erste Ablenker (30) die elektro-magnetische Strahlung (14) entlang der ersten Richtung mit einer vorgegebenen ersten Winkelgeschwindigkeit ablenkt und bei der die zweite Strahlablenkeinheit (20) die gedrehte elektro-magnetische Strahlung (18) entlang der zweiten Richtung mit einer vorgegebenen zweiten Winkelgeschwindigkeit und entlang der dritten Richtung mit einer vorgegebenen dritten Winkelgeschwindigkeit ablenkt, wobei die zweite und die dritte Winkelgeschwindigkeit kleiner sind als die erste Winkelgeschwindigkeit.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Bildfelddreher (34) ein Wendeprisma (36) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Bildfelddreher (34) zumindest drei Spiegel (40, 42, 44) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der der erste Winkelbereich variabel einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der erste Ablenker (30) mindestens einen akusto-optischen Ablenker, einen elektro-optischen Ablenker oder einen mechanischen Ablenker aufweist.
Vorrichtung (10) zum Bestrahlen eines Körpers (24) mit elektro-magnetischer Strahlung (14), aufweisend: – eine Strahlungsquelle (12) zum Erzeugen der elektro-magnetischen Strahlung (14); – eine Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Ablenken der elektro-magnetischen Strahlung (14) hin zu dem Körper (24).
Verfahren zum Ablenken von elektro-magnetischer Strahlung (14), bei dem – elektro-magnetische Strahlung (14) entlang einer ersten Richtung abgelenkt wird, – die abgelenkte elektro-magnetische Strahlung (32) um einen vorgegebenen Drehwinkel gedreht wird, wodurch die gedrehte elektro-magnetische Strahlung (18) in eine effektive Ablenkrichtung abgelenkt wird, die gegenüber der ersten Richtung gedreht ist, – die gedrehte elektro-magnetische Strahlung (18) entlang einer zweiten Richtung und/oder entlang einer dritten Richtung abgelenkt wird.
Verfahren zum Bestrahlen eines Körpers (24) mit elektro-magnetischer Strahlung (14), bei dem – vor dem Ablenken entlang der ersten Richtung die elektro-magnetische Strahlung (14) erzeugt wird, – die elektro-magnetische Strahlung (14) mit Hilfe des Verfahrens nach Anspruch 9 abgelenkt und gedreht wird, – die gedrehte elektro-magnetische Strahlung (18) entlang der zweiten Richtung und/oder entlang der dritten Richtung auf den Körper (24) abgelenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem die elektro-magnetische Strahlung (22) gemäß einem vorgegebenen Bestrahlungsmuster (50) über den Körper (24) geführt werden soll und bei dem die Drehung der abgelenkten elektro-magnetischen (32) Strahlung in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Bestrahlungsmuster (50) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem eine Bestrahlungsreihenfolge in Abhängigkeit einer Form und/oder Erstreckung von Abschnitten des Bestrahlungsmusters (50) ermittelt wird und bei dem das Bestrahlungsmuster (50) gemäß der ermittelten Bestrahlungsreihenfolge bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, bei dem eine maximale Ablenkung in die erste Richtung in Abhängigkeit von einem aktuell zu bestrahlenden Abschnitt des Bestrahlungsmusters (50) gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem die elektro-magnetische Strahlung (14) in Pulsen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Erzeugung der Pulse und die Ablenkung und/oder Drehung der elektro-magnetischen Strahlung (14, 32, 18) aufeinander abgestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem eine Bestrahlungsstärke, mit der ein Abschnitt des Bestrahlungsmusters (50) bestrahlt werden soll, und/oder eine Linienbreite des Abschnitts durch eine Verteilung der Strahlungsdosis eingestellt wird, wobei die Strahlungsdosis mittels der Ablenkung in die erste Richtung und/oder durch Variation der Strahlungsintensität eingestellt wird.