JP2023537606A

JP2023537606A - Device for generating a defined laser line on a work surface

Info

Publication number: JP2023537606A
Application number: JP2023510377A
Authority: JP
Inventors: ハイメスアンドレアス; ヴィマーマーティン; ヘルシュテアンユリアン; シュヴァルツマリオ
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2021-08-03
Publication date: 2023-09-04
Also published as: CN116033993A; DE102020121440A1; KR20230048546A; WO2022033923A1

Abstract

作業面１４上に規定のレーザライン１２を生成するための装置は、原ビーム１８を生成するレーザ光源１６と、原ビーム１８を受け取り、それを作業面１４上に入射する照射ビーム２２に変換する光学アセンブリ２０と、を備える。照射ビーム２２は、作業面１４と交差するビーム方向２３を規定し、横方向のビームプロファイル２８を有する。ビームプロファイル２８は、長軸ビーム幅を有する長軸３０と、短軸ビーム幅を有する短軸３２とを、ビーム方向に対して垂直に有する。光学アセンブリ２０は、ビームプロファイル２８を作業面１４の領域内の規定位置４２に集束させる所定数の光学素子３６，３８，４０を有する。規定位置４２は、レーザ光源１６の動作出力及び／又は動作時間に依存して、光学素子３６，３８，４０の加熱の結果としてドリフト長５０だけ変位し得る。ビームプロファイル２８の短軸ビーム幅３３は、ビーム方向２３に沿って変化し、有用なプロセスウィンドウを規定する。光学アセンブリ２０は、ドリフト長５０よりも大きいビーム方向の被写界深度４６を有する有用なプロセスウィンドウを生成するように構成されている。The device for producing a defined laser line 12 on a working surface 14 includes a laser light source 16 that produces an original beam 18 and receives the original beam 18 and converts it into an illumination beam 22 that is incident on the working surface 14. an optical assembly 20. The illumination beam 22 defines a beam direction 23 intersecting the work surface 14 and has a lateral beam profile 28 . The beam profile 28 has a long axis 30 having a long beam width and a short axis 32 having a short beam width perpendicular to the beam direction. Optical assembly 20 has a predetermined number of optical elements 36 , 38 , 40 that focus beam profile 28 to a defined location 42 within the area of work surface 14 . Defined position 42 may be displaced by a drift length 50 as a result of heating of optical elements 36, 38, 40, depending on the operating power and/or operating time of laser light source 16. The short axis beam width 33 of the beam profile 28 varies along the beam direction 23 and defines a useful process window. Optical assembly 20 is configured to create a useful process window with a beamwise depth of field 46 that is greater than drift length 50.

Description

本発明は、作業面上に規定のレーザラインを生成するための装置に関し、その装置は、原ビームを生成するように構成されたレーザ光源と、その原ビームを受け取り、それを作業面上に入射する照射ビームに変換する光学アセンブリと、を備え、その照射ビームは、作業面と交差するビーム方向を規定し、その照射ビームはビームプロファイルを有し、そのビームプロファイルは、長軸ビーム幅を有する長軸と短軸ビーム幅を有する短軸とをビーム方向と垂直に有するものであり、光学アセンブリは、そのビームプロファイルを作業面の領域内の規定位置に集束させる所定数の光学素子を有し、その規定位置は、レーザ光源の動作出力及び／又は動作時間に依存して、光学素子の加熱の結果としてドリフト長だけ変位する。 The present invention relates to an apparatus for generating a defined laser line on a work surface, the apparatus comprising a laser light source arranged to generate an original beam and receiving the original beam and applying it to the work surface. an optical assembly for transforming an incident radiation beam, the radiation beam defining a beam direction intersecting the work surface, the radiation beam having a beam profile, the beam profile having a long axis beam width; and a minor axis having a minor beamwidth perpendicular to the beam direction, the optical assembly having a predetermined number of optical elements for focusing the beam profile to defined locations within the area of the working surface. but its defined position is displaced by a drift length as a result of heating of the optical element, depending on the operating power and/or operating time of the laser light source.

そのような装置は、例えば、特許文献１に開示されている。 Such a device is disclosed, for example, in US Pat.

そのような装置は、特にワークを加工するために、作業面の規定位置に規定のライン状のレーザ照射を発生させる。ワークは、例えば、キャリア材として使用されるガラス板上のプラスチック材であり得る。プラスチック材は、特に、有機発光ダイオード、いわゆるＯＬＥＤ、及び／又は薄膜トランジスタをその上に製造するためのフィルムであり得る。ＯＬＥＤ－フィルムは、スマートフォン、タブレットＰＣ、テレビ、及び画面表示を有する他の機器のディスプレイとして使用が増加している。電子構成体を製作した後に、フィルムをガラス基板から剥離する必要がある。これは、有利には、ガラス板に対して定められた速度で移動する細いレーザラインの形においてレーザ照射を行い、それによってガラス板を介してフィルムの接着結合を緩めることができる。このような応用は、実際にはＬＬＯ、或いはレーザリフトオフ（ＬａｓｅｒＬｉｆｔＯｆｆ）と呼ばれることが多い。 Such devices generate defined lines of laser radiation at defined positions on a work surface, in particular for machining workpieces. The workpiece can be, for example, a plastic material on a glass plate used as carrier material. The plastic material can in particular be a film for producing organic light-emitting diodes, so-called OLEDs, and/or thin-film transistors thereon. OLED-films are increasingly being used as displays in smartphones, tablet PCs, televisions and other devices with screen displays. After fabricating the electronic structure, the film needs to be peeled off from the glass substrate. This advantageously provides a laser irradiation in the form of a narrow laser line moving at a defined speed relative to the glass plate, whereby the adhesive bond of the film can be loosened through the glass plate. Such applications are often referred to in practice as LLO, or Laser Lift Off.

規定のレーザラインを用いてワークを照射する他の応用は、キャリア板上のアモルファスシリコンをラインごとに溶融させることである。ここにおいても同様に、レーザラインをワークの表面に対して定められた速度で移動させる。溶融によって、比較的安価なアモルファスシリコンをより高品質な多結晶シリコンに変換することができる。このような応用は、実際にはＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＬａｓｅｒＡｎｎｅａｌｉｎｇ又はＳＬＡと呼ばれることが多い。 Another application of irradiating a workpiece with defined laser lines is the line-by-line melting of amorphous silicon on a carrier plate. Also here, the laser line is moved at a predetermined speed with respect to the surface of the workpiece. Melting can convert relatively inexpensive amorphous silicon into higher quality polycrystalline silicon. Such applications are often referred to in practice as Solid State Laser Annealing or SLA.

このような応用については、作業面上のレーザラインは、作業面をできるだけ広くカバーするために一方向にはできるだけ長く、且つ、そのつどのプロセスに必要なエネルギー密度を提供するために、他方向にはもう一方向と比較して非常に短くする必要がある。従って、作業面に平行な細長いレーザラインが望ましい。いわゆるビームプロファイルの、レーザラインが延びる方向は長軸、ラインの太さは短軸と呼ばれることが多い。原則として、レーザラインは、両軸において、それぞれ規定の強度推移を有する必要がある。例えば、レーザラインは、長軸において、できるだけ矩形の、又は、場合によっては台形の強度プロファイルを有することが望ましい。その際、いくつかのそのようなレーザラインを結合してより長い全体のラインを形成する場合には後者が有利になり得る。短軸においては、応用に応じて，矩形の強度プロファイル（いわゆるトップハットプロファイル）、ガウシアンプロファイル、又はその他の強度プロファイルが望まれる。 For such applications, the laser line on the work surface should be as long as possible in one direction in order to cover as much of the work surface as possible, and in the other direction to provide the energy density required for the respective process. must be very short compared to the other direction. Therefore, an elongated laser line parallel to the working plane is desirable. In the so-called beam profile, the direction in which the laser line extends is often called the major axis, and the line thickness is often called the minor axis. In principle, the laser line should have a defined intensity profile in each of the two axes. For example, it is desirable for the laser line to have as much as possible a rectangular or even trapezoidal intensity profile in the long axis. The latter may then be advantageous when combining several such laser lines to form a longer overall line. In the short axis, rectangular intensity profiles (so-called top-hat profiles), Gaussian profiles, or other intensity profiles are desired, depending on the application.

特許文献２は、光学アセンブリの光学素子に関する多数の詳細を有する、上述のタイプの装置を開示する。レーザ光源は、長軸を得るために、光学アセンブリによって第１の空間方向に非常に広く広げられたレーザ原ビームを発生させる。それに対して垂直な第２の空間方向においては、短軸を得るために、レーザビームが集束される。第１及び第２の空間方向は、典型的には、レーザビームが作業面に衝突するビーム方向に対して垂直である。特許文献２の装置の光学アセンブリは、レーザ原ビームをコリメートするコリメータ、ビーム変換器、ホモジナイザ、及びフォーカスステップ（Ｆｏｋｕｓｓｉｅｒｓｔｕｆｅ）を有する。ビーム変換器は、コリメートされた原ビームを受け取り、それを長軸方向に広げる。また、原理的には、ビーム変換器は、複数のレーザ光源から複数のレーザ原ビームを受け取り、それらを、より高出力を有する共通の拡張レーザビームに組み合わせることも可能である。ホモジナイザは、長軸及び短軸に、所望のビームプロファイル、例えばトップハットプロファイルをそれぞれ生成する。フォーカスステップは、このように変換されたレーザビームを作業面の領域の規定位置に集束させる。 US Pat. No. 6,200,000 discloses a device of the type described above with numerous details regarding the optical elements of the optical assembly. A laser light source generates a primary laser beam that is spread very widely in a first spatial direction by an optical assembly to obtain a long axis. In a second spatial direction perpendicular thereto, the laser beam is focused to obtain the short axis. The first and second spatial directions are typically perpendicular to the beam direction in which the laser beam impinges on the work surface. The optical assembly of the device of US Pat. No. 5,800,000 includes a collimator for collimating the original laser beam, a beam converter, a homogenizer and a focusing step. A beam converter receives the collimated original beam and spreads it longitudinally. In principle, the beam converter could also receive multiple raw laser beams from multiple laser sources and combine them into a common expanded laser beam with higher power. The homogenizer produces the desired beam profile, for example a top-hat profile, in the major and minor axes, respectively. A focus step focuses the laser beam thus converted to a defined position on an area of the work surface.

上述の特許文献１は、短軸に関して光学屈折力を有する伸縮アセンブリ（Ｔｅｌｅｓｋｏｐａｎｏｒｄｎｕｎｇ）によって照射ラインを生成するための光学アセンブリを開示している。その伸縮アセンブリは、光軸に沿って互いに相対的に移動可能な、第１のレンズ群と第２のレンズ群とを含む。制御ユニットは、レーザ光源がレーザビームを発生している間において、照射ラインの強度とその半値幅、すなわち強度の５０％におけるライン幅（半値全幅、ＦｕｌｌＷｉｄｔｈａｔＨａｌｆＭａｘｉｍｕｍ、ＦＷＨＭ）が時間的にできるだけ一定に保つように、作動を制御する。レーザビームの発生中に光学アセンブリの特性が変化し得ることが判明している。特に、レーザビームの照射による光学素子が加熱されることによって、アセンブリの光学特性を変化させる、いわゆる熱レンズが生じ得る。特許文献１は、結果として生じる焦点位置の変化を、伸縮レンズの互いの相対的な変位によって補整すること、又は、少なくとも低減することを提案している。この解決策の欠点は、伸縮レンズの位置調整に必要とされる機械的な労力である。その作動は、摩耗の原因となり得、及び／又は、光学アセンブリのずれをもたらし得る。 The above-mentioned US Pat. No. 6,200,009 discloses an optical assembly for generating an illumination line by means of a telescopic assembly having optical power with respect to the minor axis. The telescoping assembly includes a first lens group and a second lens group movable relative to each other along the optical axis. While the laser light source is generating the laser beam, the intensity of the illumination line and its half width, i.e., the line width at 50% of the intensity (Full Width at Half Maximum, FWHM) is temporally Control the actuation to keep it as constant as possible. It has been found that the properties of the optical assembly can change during the generation of the laser beam. In particular, the heating of the optical elements by the irradiation of the laser beam can lead to so-called thermal lenses that change the optical properties of the assembly. WO 2005/010102 proposes compensating for, or at least reducing, the resulting change in focal position by displacement of the telescopic lenses relative to each other. A drawback of this solution is the mechanical effort required to adjust the position of the telescopic lens. Its actuation can cause wear and/or lead to misalignment of the optical assembly.

独国特許出願公開第１０２０１８２０００７８号明細書DE 102018200078 A1 国際公開第２０１８／０１９３７４号パンフレットInternational Publication No. 2018/019374 pamphlet

以上のことから、本発明の課題は、代替的な方法によって、作業面を装置の作業範囲内に維持するのに役立つ、上述のタイプの装置を提供することである。 In view of the above, it is an object of the present invention to provide a device of the type set forth which helps keep the work surface within the working range of the device by an alternative method.

本発明の一局面によれば、ビームプロファイルの短軸ビーム幅は、ビーム方向に沿って変化し、それによって有用なプロセスウィンドウを規定し、光学アセンブリは、ビーム方向にドリフト長よりも大きい被写界深度を有する有用なプロセスウィンドウを生成するように構成されている、上記のタイプの装置が本明細書に提示されている。 According to one aspect of the invention, the short-axis beam width of the beam profile varies along the beam direction, thereby defining a useful process window, and the optical assembly provides a subject with a drift length greater than the drift length in the beam direction. An apparatus of the above type is presented herein that is configured to produce a useful process window with depth of field.

本新規装置は、短軸方向におけるビームプロファイルの集束をもたらす光学アセンブリ、或いは光学素子の機械的な調整を省略することができる。好ましくは、その光学素子は、ビームプロファイルの短軸に関して光学屈折力を有し、ビームプロファイルを作業面の領域内の規定位置に集束させ、したがって、互いに相対的に固定的な距離を有している。好ましい実施例においては、光学素子はそれぞれ固定されている。それによって、機械的な摩耗、及び、機械的な動きによって光学アセンブリがずれるリスクを低減することができる。その代わりに、本新規装置は、ビーム方向（以下、長手方向と呼ぶ）のアセンブリの被写界深度を意図的に増加させるというアイデアに基づく。それによって、熱レンズの結果として変位する場合であっても、ビームプロファイルが集束される規定位置が被写界深度の範囲内にとどまる。言い換えれば、本新規装置は、レーザ光源の動作出力及び／又は動作時間に依存する光学素子の発熱による焦点ドリフトを意図的に許容している。しかしながら、光学アセンブリは、特に短軸方向におけるビーム品質を意図的に低下するように構成されており、それによって、焦点位置がドリフトした場合であってもビームプロファイルがプロセスウィンドウ内にとどまる。機械的なトラッキングの代わりに、光学アセンブリは、光学素子の追加によって、及び／又は、光学素子の照射アップ、また、それに伴う収差の利用によって、特に被写界深度を大きくするために設計されている。 The novel device can omit mechanical adjustment of the optical assembly or optical elements that provide focusing of the beam profile in the short axis direction. Preferably, the optical element has optical power with respect to the minor axis of the beam profile to focus the beam profile to a defined position within the region of the working surface and thus have a fixed distance relative to each other. there is In a preferred embodiment, the optical elements are each fixed. Mechanical wear and the risk of the optical assembly shifting due to mechanical movement can thereby be reduced. Instead, the new device is based on the idea of intentionally increasing the depth of field of the assembly in the beam direction (hereafter referred to as longitudinal direction). Thereby, the defined position where the beam profile is focused remains within the depth of field, even if it is displaced as a result of the thermal lens. In other words, the new device intentionally allows focal drift due to heating of the optical elements depending on the operating power and/or operating time of the laser source. However, the optical assembly is designed to degrade the beam quality, especially in the short axis direction, so that the beam profile stays within the process window even if the focus position drifts. Instead of mechanical tracking, the optical assembly is specifically designed to increase the depth of field by adding optical elements and/or by illuminating the optical elements and taking advantage of the associated aberrations. there is

そのため、本新規装置は、被写界深度と焦点変位との関係に好影響を与える光学アセンブリを有する。それによって、従来技術の装置と比較して、装置のプロセスウィンドウが拡大されている。機械的なトラッキング及びそれに伴うデメリットが回避される。それに応じて、上記の課題は完全に解決される。 As such, the novel apparatus has an optical assembly that positively influences the relationship between depth of field and focus displacement. The process window of the device is thereby enlarged compared to prior art devices. Mechanical tracking and associated disadvantages are avoided. Accordingly, the above problems are completely solved.

好ましい一形態においては、ビーム方向に沿った短軸ビーム幅は最大値を有し、プロセスウィンドウは、ビーム方向に前端と後端とを有し、前端及び後端における短軸ビーム幅は、それぞれ最大値よりも最大１０％小さく、好ましくはそれぞれ最大値よりも最大５％小さく、特に好ましくはそれぞれ最大値よりも１％小さい。 In one preferred form, the short axis beam width along the beam direction has a maximum value, the process window has a leading edge and a trailing edge in the beam direction, and the minor axis beam widths at the leading edge and trailing edge are respectively At most 10% less than the maximum value, preferably at most 5% each less than the maximum value, particularly preferably each at most 1% less than the maximum value.

この形態においては、光学アセンブリは、指定されたパラメータを有するプロセスウィンドウが形成されるビームプロファイルを生成するように構成されている。特に、本形態においては、短軸ビーム幅は、半値幅として、すなわち、短軸のビームプロファイルの２つの強度値の差として決定することができる。その差は、ビーム方向に沿った対応する位置におけるビームプロファイルの最大強度の５０％（ＦｕｌｌＷｉｄｔｈａｔＨａｌｆＭａｘｉｍｕｍ、ＦＷＨＭ）を有する。代替的には、本形態において、短軸のビーム幅を、ビーム方向に沿った対応する位置におけるビームプロファイルの最大強度の９０％（ＦｕｌｌＷｉｄｔｈａｔ９０％ｏｆＭａｘｉｍｕｍ）を有する、短軸におけるビームプロファイルの２つの強度値の差として指定することもできる。この値は、短軸のビーム品質が一般的なＬＬＯ応用及びＳＬＡ応用に適した水準を維持しつつ、被写界深度の有益な増加を提供する。 In this form, the optical assembly is configured to produce a beam profile that defines a process window having specified parameters. In particular, in this embodiment the short axis beam width can be determined as the half width, ie the difference between two intensity values of the short axis beam profile. The difference has 50% of the maximum intensity (Full Width at Half Maximum, FWHM) of the beam profile at the corresponding position along the beam direction. Alternatively, in this embodiment, the beam profile in the short axis has a Full Width at 90% of Maximum of the beam profile at the corresponding position along the beam direction. can also be specified as the difference between two intensity values of This value provides a useful increase in depth of field while maintaining short axis beam quality at a level suitable for typical LLO and SLA applications.

さらなる一形態において、照射ビームは、ビーム方向にビームウエストを有し、光学アセンブリは、ビームウエストを作業面の領域において生成するように構成されている。 In a further form, the illumination beam has a beam waist in the beam direction, and the optical assembly is configured to produce the beam waist in the region of the working surface.

実際の各レーザビームは、いわゆるビームウエストを有する。これは、レーザビームが最小の直径又は半径を有する、レーザビームの拡散方向又はビーム方向における位置である。言い換えれば、実際のレーザ光の直径或いは半径は、ビーム方向において変化する。ビームウエストからの距離が増加すると、ビーム径は大きくなる。ビームウエストのビーム方向への広がりは、例えば、いわゆるレイリー長を用いて定量化することができる。レイリー長は、ビームの半径（通常は電界において測定）が√２倍に大きくなる際のウエストの中心ｗ_０からの距離であり、すなわち以下が適用される。 Each real laser beam has a so-called beam waist. This is the position in the divergence or beam direction of the laser beam where the laser beam has the smallest diameter or radius. In other words, the diameter or radius of the actual laser light varies in beam direction. The beam diameter increases as the distance from the beam waist increases. The spread of the beam waist in the beam direction can be quantified using, for example, the so-called Rayleigh length. The Rayleigh length is the distance from the center of the waist w ₀ at which the radius of the beam (usually measured in the electric field) increases by a factor of √2, ie the following applies:

ここで、ｚ_Ｒはレイリー長、ｗ（ｚ）は短軸におけるビーム半径である。この形態においては、光学アセンブリは、ビームウエストを作業面の領域、好ましくは作業面内に位置させるように構成される。本形態は、短軸方向におけるビームプロファイルがガウシアンプロファイルである場合に特に有利である。それは、ワークの加工位置において効率よく高エネルギー密度を実現することができる。

where _zR is the Rayleigh length and w(z) is the beam radius in the minor axis. In this form, the optical assembly is configured to locate the beam waist in the region of the working surface, preferably within the working surface. This configuration is particularly advantageous when the beam profile in the minor axis direction is a Gaussian profile. It can efficiently achieve high energy density at the machining position of the workpiece.

さらなる一形態においては、光学アセンブリは、照射ビームに短軸におけるアキシコン形状の位相面を刻み込む（ａｕｆｐｒａｅｇｔ）光学位相素子を有する。 In a further form, the optical assembly includes an optical phase element that aufpraegts an axicon-shaped phase front in the short axis into the illumination beam.

本来の意味におけるアキシコンは、点光源を光軸に沿った線上に結像させる、又は、レーザビームをリング状に変換する円錐状の研磨レンズである。アキシコンとは、回転対称の場合、或いは回転対称の素子を指すことが多い。しかしながら、この場合は、位相素子は短軸に影響を及ぼす。すなわち、短軸について光学アセンブリを考察した場合に、位相素子がアキシコン形状の位相面を発生させる。長軸はほとんど影響を受けない。そのため、回転対称は含意されていない。この形態において位相素子を使用して発生させるアキシコン形状の位相面は、結果として、アセンブリの光軸に直交する短軸についてビーム経路を見た場合に、レーザビームがリング部分を有するということに示される。レーザ光の一部分は、位相素子の使用によって「外側に散乱」される。この部分は、比較的単純、且つ安価に被写界深度を拡大することにつながる。それに応じて、この形態は、本新規装置の正に単純、且つ安価な実装を可能にする。 An axicon in its original sense is a conical polished lens that images a point source onto a line along the optical axis or transforms a laser beam into a ring. An axicon often refers to a rotationally symmetrical case or a rotationally symmetrical element. However, in this case the phase element affects the short axis. That is, when considering the optical assembly about the minor axis, the phase element produces an axicon-shaped phase front. The long axis is little affected. Therefore, no rotational symmetry is implied. The axicon-shaped phase front generated using the phase element in this configuration results in the laser beam having a ring portion when viewed about the short axis orthogonal to the optical axis of the assembly. be A portion of the laser light is "outwardly scattered" by the use of the phase element. This part leads to a relatively simple and inexpensive extension of the depth of field. Accordingly, this configuration allows a very simple and inexpensive implementation of the novel device.

さらなる一形態においては、光学位相素子は、屈折光学素子、特に、プリズム研磨レンズ又は非シリンドリカル研磨レンズを含む。 In a further form, the optical phase element comprises a refractive optical element, in particular a prismatic polished lens or a non-cylindrical polished lens.

この形態は、特に単純且つコスト効率の良い本新規装置の実装を可能にする。本新規装置に到達するために、特に、上述の先行技術に対応する光学アセンブリを、このような屈折光学素子、例えば側面から見て楔形の非シリンドリカルレンズを導入することによって変更できる。 This configuration allows a particularly simple and cost-effective implementation of the novel device. In order to arrive at the present new device, in particular the optical assembly corresponding to the above-mentioned prior art can be modified by introducing such a refractive optical element, for example a wedge-shaped non-cylindrical lens when viewed from the side.

さらなる一形態においては、光学位相素子は、回折光学素子を含む。 In a further form, the optical phase element comprises a diffractive optical element.

この形態においては、回折効果を用いて短軸方向におけるアキシコン形状の位相面を生成する。この形態のいくつかの実施例において、光学位相素子は、不規則な回折格子を含む。本形態は、光損失が少なく、且つ、光学アセンブリのビーム経路における位相素子の位置に関する許容差が大きい実装を可能にする。 In this configuration, diffraction effects are used to produce an axicon-shaped phase front in the minor axis direction. In some implementations of this aspect, the optical phase element comprises an irregular diffraction grating. This configuration allows for a low optical loss implementation and a high tolerance for the position of the phase element in the beam path of the optical assembly.

さらなる一形態においては、光位相素子は、空間光変調器（ＳｐａｔｉａｌＬｉｇｈｔＭｏｄｕｌａｔｏｒ，ＳＬＭ）を含む。 In a further form, the optical phase element includes a spatial light modulator (SLM).

空間光変調器は、光に空間的な変調を刻み込むための機器である。特に、空間光変調器は、マイクロミラーのアセンブリ及び／又は１つ以上の変形可能なミラーを含み得る。そのような光変調器は、個別性の高い位相面を生成することができ、それによって、最適なビーム形成を可能にする。 A spatial light modulator is a device for imprinting spatial modulation into light. In particular, a spatial light modulator may include an assembly of micromirrors and/or one or more deformable mirrors. Such light modulators are capable of producing highly individualized phase fronts, thereby enabling optimal beamforming.

さらなる一形態においては、光学アセンブリは、少なくとも２つの互いに離れて配置された光学素子を含む伸縮アセンブリを有し、その少なくとも２つの光学素子はビームプロファイルの短軸に関して光屈折力を有しており、光学位相素子は、ビーム方向に見て、その伸縮アセンブリの手前に配置されている。 In a further aspect, the optical assembly comprises a telescoping assembly including at least two spaced apart optical elements, the at least two optical elements having optical power with respect to the minor axis of the beam profile. , the optical phase element is positioned in front of its telescopic assembly, viewed in the beam direction.

この形態は、正に単純且つ低コストの方法において被写界深度を２倍程度に増加させることを可能にする。本形態は、短軸方向においてガウシアンビームプロファイルを扱うＬＬＯ応用やその他の応用に特に有利である。それは、ビームプロファイルに与える位相素子の影響が本形態においては容易に許容できるためである。 This configuration makes it possible to increase the depth of field by as much as a factor of two in a very simple and low-cost way. This configuration is particularly advantageous for LLO applications and other applications dealing with Gaussian beam profiles in the short axis direction. This is because the effect of the phase element on the beam profile is easily tolerated in this embodiment.

さらなる一形態において、光学アセンブリは、少なくとも２つの互いに離れて配置された光学素子を含む伸縮アセンブリを有し、その少なくとも２つの光学素子はビームプロファイルの短軸に関して光屈折力を有しており、光学位相素子は、伸縮アセンブリの少なくとも２つの互いに離れて配置された光学素子の間に配置されている。 In a further aspect, the optical assembly comprises a telescoping assembly including at least two spaced apart optical elements, the at least two optical elements having optical power with respect to a minor axis of the beam profile; The optical phase element is positioned between at least two spaced apart optical elements of the telescoping assembly.

この形態においては、光学位相素子は、有利には、短軸の遠視野面に配置されている。遠視野は、本形態においては、ビーム変換器の出口に関して規定することができ、また、光学系（集束）を介して、又は出口アパーチャから離れた面を見ることによって、実現することができる。一般的にはその際、経路長は、ビーム変換器からの出力ビームのレイリー長より、はるかに大きい。本形態は、特にＳＬＡ応用のように、短軸においてトップハットのビームプロファイルを有する応用に好適である。 In this configuration, the optical phase element is advantageously arranged in the far field plane of the short axis. The far field can in this embodiment be defined with respect to the exit of the beam converter and can be achieved via optics (focusing) or by viewing a surface away from the exit aperture. Typically the path length is then much larger than the Rayleigh length of the output beam from the beam converter. This configuration is particularly suitable for applications with a top-hat beam profile in the short axis, such as SLA applications.

さらなる一形態において、光学アセンブリは、エッジ領域に収差を有する対物レンズを有し、照射ビームは、エッジ領域からのビーム部分を含む。 In a further form, the optical assembly has an objective lens with an aberration in the edge region, and the illumination beam includes the beam portion from the edge region.

この形態においては、装置は、有利には、非回折限界である光学アセンブリを使用する。本形態においては、有利には、対物レンズのエッジ領域における収差を利用する。本形態は、大面積の照射による、光学素子の局所的な発熱が抑えられるという利点を有する。その結果、熱による焦点位置のドリフトが少なくなるという利点がある。さらに、エッジ領域からのビーム部分を含めることによって被写界深度が拡大され、それによって、本形態においては、２つの有利な効果が同時に生じる。本形態は、少ない光学素子数においての本新規装置の実装を可能とし、それによって長期的に低コストの実現を可能にする。本形態は、ＳＬＡ応用、及び、短軸においてトップハットのビームプロファイルを有する他の応用に特に有利である。 In this form, the device advantageously uses an optical assembly that is non-diffraction limited. In this embodiment, advantageously, aberrations in the edge region of the objective lens are used. This embodiment has the advantage of suppressing local heat generation of the optical element due to irradiation of a large area. As a result, there is an advantage that the drift of the focus position due to heat is reduced. Furthermore, the inclusion of the beam portion from the edge region extends the depth of field, which in this embodiment has two advantageous effects at once. This configuration allows implementation of the novel device with a low number of optical elements, thereby enabling low cost realization in the long term. This configuration is particularly advantageous for SLA applications and other applications that have a top-hat beam profile in the short axis.

さらなる一形態において、光学アセンブリは、第１の平面と第２の凸面とを有する少なくとも１つの平凸レンズを有し、その凸面は作業面に向けられている。 In a further form, the optical assembly has at least one plano-convex lens having a first flat surface and a second convex surface, the convex surface facing the working surface.

平凸レンズが装置の光出口に配置されていることは、特に有利である。平凸レンズは、特に、ビーム方向において光学アセンブリの最後の光学素子であり得る。一般的に、そのような平凸レンズは、汎用装置においては反転して配置され、それによって、その平面が作業面に向く。好ましい配置は、レンズのエッジ領域からの収差をより効果的に利用できるという利点を有する。いくつかの実施例においては、少なくとも１つのレンズは、複数の個別レンズを含むことができ、そのうちの少なくとも１つは、平凸レンズであり、上記の方向に配置される。 It is particularly advantageous if the plano-convex lens is arranged at the light exit of the device. The plano-convex lens may in particular be the last optical element of the optical assembly in the beam direction. Typically, such a plano-convex lens is placed inverted in a general purpose device so that its plane faces the work surface. The preferred arrangement has the advantage of making more efficient use of aberrations from the edge regions of the lens. In some embodiments, the at least one lens can include a plurality of individual lenses, at least one of which is a plano-convex lens, arranged in the orientation described above.

上記の特徴及び以下に説明する特徴は、それぞれ示された組み合わせにおいて使用され得るのみではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、他の組み合わせにおいて、又は単独において使用され得ると解される。 It will be understood that the features mentioned above and those to be explained below can not only be used in the combination indicated, but also in other combinations or alone without departing from the scope of the invention.

本発明の実施例を図面に示すとともに、以下の説明において、より詳細に説明する。 An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail in the following description.

本新規装置の第１の実施例を示す概略的な図である。1 is a schematic diagram of a first embodiment of the novel device; FIG. 本新規装置の第１の実施例を示す概略的な図である。1 is a schematic diagram of a first embodiment of the novel device; FIG. 第１の実施例及びさらなる実施例を説明するためのビームプロファイルの簡略図である。Fig. 2 is a simplified diagram of beam profiles for explaining the first embodiment and further embodiments; 本新規装置のいくつかの実施例によるビームウエストとウエスト長の簡略図である。FIG. 4 is a simplified diagram of beam waist and waist length according to some embodiments of the novel device; 本新規装置の第２の実施例を示す概略的な図である。Fig. 4 is a schematic diagram of a second embodiment of the novel device; 本新規装置の第２の実施例を示す概略的な図である。Fig. 4 is a schematic diagram of a second embodiment of the novel device; 本新規装置のさらなる実施例を示す概略的な図である。Fig. 4 is a schematic diagram showing a further embodiment of the novel device; 本新規装置のさらなる実施例を示す概略的な図である。Fig. 4 is a schematic diagram showing a further embodiment of the novel device;

図１ａ及び図１ｂにおいて、本新規装置の全体としての第１の実施例は、参照数字１０によって示されている。図１ａは、レーザライン１２を上から見た状態において、装置１０を簡略化して示している。そのレーザラインは、本実施例においては作業面１４の領域に配置されている。その装置１０は、レーザ光源１６を有し、このレーザ光源は、例えば、赤外線領域又は紫外線領域のレーザ光を発生する固体レーザであり得る。例えば、レーザ光源１６は、１０３０ｎｍの範囲の波長を有するＮｄ：ＹＡＧレーザを含み得る。さらなる実施例においては、レーザ光源１６は、３００ｎｍ～３５０ｎｍ、５００ｎｍ～５３０ｎｍ、又は９００ｎｍ～１０７０ｎｍの間の波長を有するレーザ光を発生するダイオードレーザ、エキシマレーザ、又は固体レーザを含み得る。 In FIGS. 1a and 1b a first embodiment of the novel device as a whole is indicated by the reference numeral 10. FIG. FIG. 1a shows a simplified view of the device 10 with the laser line 12 viewed from above. The laser line is arranged in the region of the working surface 14 in the present exemplary embodiment. The device 10 has a laser light source 16, which can be, for example, a solid-state laser that produces laser light in the infrared or ultraviolet range. For example, laser light source 16 may include a Nd:YAG laser with a wavelength in the range of 1030 nm. In further embodiments, laser light source 16 may include a diode laser, excimer laser, or solid state laser that produces laser light having a wavelength between 300 nm and 350 nm, 500 nm and 530 nm, or 900 nm and 1070 nm.

図１ｂは、側面からの装置１０、すなわちレーザライン１２の短軸を見た図を示している。以下おいては、レーザビームのビーム方向は座標軸ｚによって示される。レーザライン１２はｘ軸方向に延びており、ライン幅はｙ軸方向において見られる。それに応じて、以下においては、ｘ軸がビームプロファイルの長軸を示し、ｙ軸がビームプロファイルの短軸を示す。 FIG. 1b shows the device 10 from the side, ie looking into the minor axis of the laser line 12. FIG. In the following, the beam direction of the laser beam is indicated by the coordinate axis z. The laser line 12 extends in the x-axis direction and the line width is seen in the y-axis direction. Accordingly, in the following the x-axis denotes the long axis of the beam profile and the y-axis the short axis of the beam profile.

レーザ光源１６は、レーザ原ビーム１８を生成し、そのレーザ原ビームは、さらなる経過において、光学アセンブリ２０によって、ビーム方向２３を有する照射ビーム２２に変換される。光学アセンブリ２０は、本実施例においては、ビーム案内ユニット２４と、ビーム変換器及びホモジナイザとを含む。そのビーム案内ユニットは、いくつかの実施例においては、レーザ原ビーム１８をコリメートするコリメータを含み得る。また、そのビーム変換器及びホモジナイザは、本実施例においては、まとめて参照数字２６によって示される。ビーム変換器及びホモジナイザ２６は、レーザライン１２の長軸を生成するために、（コリメートされた）レーザ原ビーム１８をｘ軸に沿って拡大する。さらに、ビーム変換器及びホモジナイザ２６は、図２に簡略化した図によって示すように、横方向（ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌ）のビームプロファイル２８を生成する。図示のように、ビームプロファイル２８は、Ｘ方向に長軸ビーム幅３１を有する長軸３０と、ｙ方向に短軸ビーム幅３３を有する短軸３２とを有している。図２においては、レーザ光の強度Ｉを縦座標軸に示し、半値幅（ＦＷＨＭ）の例として、短軸ビーム幅３３を示す。ビームプロファイルは、図２において簡略化して示した台形の強度推移とは異なり、有限のエッジ急勾配を有する、ガウシアンプロファイル又はトップハットプロファイルであってもよい。 A laser light source 16 produces a primary laser beam 18 which in a further course is converted by an optical assembly 20 into an illumination beam 22 having a beam direction 23 . The optical assembly 20 includes a beam guiding unit 24, a beam converter and a homogenizer in this embodiment. The beam steering unit may include a collimator to collimate the raw laser beam 18 in some embodiments. The beam converter and homogenizer are also collectively indicated by the reference numeral 26 in this embodiment. A beam converter and homogenizer 26 expands the (collimated) original laser beam 18 along the x-axis to produce the long axis of the laser line 12 . Additionally, the beam converter and homogenizer 26 produces a transversal beam profile 28, as shown by the simplified diagram in FIG. As shown, beam profile 28 has a major axis 30 with a major beamwidth 31 in the X direction and a minor axis 32 with a minor beamwidth 33 in the y direction. In FIG. 2, the intensity I of the laser beam is shown on the ordinate axis, and the minor axis beam width 33 is shown as an example of the half maximum width (FWHM). The beam profile may be a Gaussian profile or a tophat profile, with finite edge steepness, as opposed to the trapezoidal intensity progression shown in simplified form in FIG.

ワーク（本実施例においては図示せず）を加工するために、ビームプロファイル２８は、装置１０と共に作業面１４に対して、例えばｙ方向に、相対的に移動させることができる。装置１０の更なる詳細に関しては、上記の特許文献１が参照され、それは関連付けによって本実施例に組み込まれる。特に、いくつかの有利な実施例においては、ビーム変換器及びホモジナイザ２６は、特許文献１に記載された方法において実現される。例えば、ビーム変換器及びホモジナイザ２６は、それに応じて、前面及び後面を有する透明でありモノリシックであるプレート状の素子を含んでもよい。その前面及び後面は、互いに実質的に平行であり、光学アセンブリ２０の光軸３４に対して鋭角（ここでは図示せず）に配置されている。前面及び後面は、それぞれ、反射性コーティングを有してもよい。それによって、コリメートされた原ビーム１８は、前面において板状の素子に斜めに結合され、且つ、ビームが後面において扇状に広げられ出力され、均一化される前に、前面において多重反射される。ビーム変換器及びホモジナイザ２６は、扇状に広げられた照射ビームを特に長軸３０に沿って形成する、多数のレンズ（本実施例においては図示せず）を有するさらなる光学素子を含み得る。代替的には、ビーム変換器及びホモジナイザ２６は、関連付けによって本実施例に組み込まれる、上記の特許文献２に記載されるような方法によって実施されてもよい。それに応じて、光学アセンブリは、明快さの理由から本実施例には示されていなく、且つ、特に長軸方向のビーム成形に役立つさらなる光学素子を含むことができる。 To machine a workpiece (not shown in this embodiment), the beam profile 28 can be moved with the apparatus 10 relative to the work surface 14, eg, in the y-direction. For further details of the device 10 reference is made to the aforementioned US Pat. In particular, in some advantageous embodiments the beam converter and homogenizer 26 are implemented in the manner described in US Pat. For example, the beam converter and homogenizer 26 may accordingly comprise a transparent, monolithic, plate-like element having a front surface and a rear surface. Its front and rear surfaces are substantially parallel to each other and are arranged at an acute angle (not shown here) to the optical axis 34 of the optical assembly 20 . The front and rear surfaces may each have a reflective coating. Thereby, the collimated original beam 18 is obliquely coupled into the plate-like element at the front surface, and the beam undergoes multiple reflections at the front surface before being fanned out at the rear surface and homogenized. The beam converter and homogenizer 26 may include additional optical elements including a number of lenses (not shown in this embodiment) that form a fanned illumination beam, particularly along the long axis 30 . Alternatively, the beam converter and homogenizer 26 may be implemented by methods such as those described in US Pat. Correspondingly, the optical assembly may comprise further optical elements which are not shown in this example for reasons of clarity and which serve in particular for longitudinal beam shaping.

本実施例において、光学アセンブリ２０は、第１の光学素子３６及び第２の光学素子３８を有する伸縮アセンブリを含む。その伸縮アセンブリは、ビームプロファイル２８の短軸３２に主に影響を与える光学屈折力を有する。伸縮アセンブリは、短軸３２におけるビームプロファイル２８を形成するように構成されている。そのように変換されたレーザビームは、本実施例においては対物レンズ４０を照らし、その対物レンズは、次に、照射ビーム２２を使用して、ビームプロファイル２８を作業面１４の領域内の規定位置４２に集束させる。 In this embodiment, optical assembly 20 includes a telescoping assembly having first optical element 36 and second optical element 38 . The telescopic assembly has an optical power that primarily affects the minor axis 32 of the beam profile 28 . The telescoping assembly is configured to form the beam profile 28 at the minor axis 32 . The so-converted laser beam illuminates, in this example, an objective lens 40 which in turn uses the illuminating beam 22 to direct the beam profile 28 to defined locations within the area of the work surface 14 . Focus on 42.

図１ｂに示すように、照射ビーム２２は、ビーム方向において物体側のビームウエスト４４を有し、このビームウエストは、本実施例においては作業面１４（図３参照）の領域に位置される。しかしながら、ビームウエストを作業面の前後に位置することも可能である。ビームウエスト４４は、例えば、両側のレイリー長を用いて定量化できるウエスト長を有する。 As shown in FIG. 1b, the illumination beam 22 has an object-side beam waist 44 in the beam direction, which in the present embodiment is located in the region of the working surface 14 (see FIG. 3). However, it is also possible to position the beam waist in front of and behind the work surface. The beam waist 44 has a waist length that can be quantified using, for example, the Rayleigh length on each side.

いくつかの実施例においては、ウエスト長は、パーセント増加４８によって定量化され得る。すなわち、ウエスト長は、その際、ｙ方向のビーム径が、短軸の最小ビーム径に対して規定の百分率だけ増加したそれらの点の長手方向の距離に相当する。規定の百分率は、いくつかの実施例においては、１０％以下であってもよい。いくつかの実施例においては、ウエスト長は被写界深度４６と等しくてもよい。 In some embodiments, waist length may be quantified by percent increase 48 . The waist length then corresponds to the longitudinal distance of those points at which the beam diameter in the y-direction increases by a defined percentage with respect to the minimum beam diameter in the minor axis. The specified percentage may be 10% or less in some embodiments. In some embodiments, waist length may equal depth of field 46 .

高エネルギーレーザビームの照射によって、光学素子３６，３８，４０が加熱される。この加熱によって、熱レンズが形成され得る。熱レンズは、レーザ光の光学アセンブリへの吸収によって形成される。特に数ｋＷ出力のレーザ光源を使用した場合、局所的な温度上昇が特に著しく成り得る。光学材料の低い熱伝導率は、強い温度勾配を発生させる。結果として生じる屈折率勾配と材料の熱膨張とが、追加のレンズのように作用する。これらの熱レンズは、規定位置４２又は照射ビーム２２の焦点位置をドリフト長５０だけ変位させる結果を生む。規定位置の変位は、特に、光学素子がより長い中断の後に初めてレーザビームに再びさらされる、レーザ光源１６のスイッチング後に起こり得るが、例えば、低出力での動作から高出力での動作への切り替えが行われるため、レーザ光源１６の動作パワーが変化するときにも起こり得る。 The optical elements 36, 38, 40 are heated by the high-energy laser beam irradiation. This heating can form a thermal lens. A thermal lens is formed by the absorption of laser light into the optical assembly. Especially when using a laser light source with an output of several kW, the local temperature rise can be particularly significant. The low thermal conductivity of optical materials creates strong temperature gradients. The resulting refractive index gradient and thermal expansion of the material act like an additional lens. These thermal lenses result in a displacement of the defined position 42 or focal position of the illumination beam 22 by a drift length 50 . A displacement of the defined position can occur in particular after switching of the laser light source 16, in which the optical element is re-exposed to the laser beam only after a longer interruption, for example switching from operation at low power to operation at high power. is performed, it can also occur when the operating power of the laser light source 16 changes.

この理由のため、図１ａ及び図１ｂによる装置１０は、ビーム経路に光学位相素子５２を備えている。図１ａ及び図１ｂによる実施例においては、位相素子５２は、光学素子３６，３８を有する短軸－伸縮アセンブリの前に配置されている。位相素子５２は、対物レンズ４０を照らすレーザビームに短軸に関してアキシコン形状の（ただし、回転対称ではない）位相フロントを刻み込むものである。その結果、レーザビームは、アセンブリ２０の光軸３４に対して横方向のリング部分を取得する。さらに、そのリング部分によって、短軸プロファイルが作業面１４におけるビーム方向ｚに複数回連続して写し出される。その結果、ビーム方向の被写界深度が意図的に拡大される。好ましい実施例においては、被写界深度４６は、図３に簡略化して示すように、ドリフト長５０より大きくなるように寸法設定される。図３においては、被写界深度４６はウエスト長に対応しているが、全ての実施例においてそうである必要はない。 For this reason the device 10 according to FIGS. 1a and 1b comprises an optical phase element 52 in the beam path. In the embodiment according to FIGS. 1a and 1b, the phase element 52 is placed in front of the short axis-telescopic assembly with the optical elements 36,38. The phase element 52 imprints an axicon-shaped (but not rotationally symmetric) phase front about the minor axis into the laser beam illuminating the objective lens 40 . As a result, the laser beam acquires a ring portion transverse to the optical axis 34 of the assembly 20 . In addition, the ring portion causes the short-axis profile to be projected several times in succession in the beam direction z on the working surface 14 . As a result, the depth of field in the beam direction is intentionally increased. In a preferred embodiment, depth of field 46 is sized to be greater than drift length 50, as shown schematically in FIG. In FIG. 3, depth of field 46 corresponds to waist length, but need not be so in all embodiments.

いくつかの有利な実施例においては、被写界深度４６は、ビーム方向２３に沿って変化する短軸ビーム幅３３に基づいて規定される。短軸ビーム幅３３は、ビーム方向に沿って変化し、一点において最大値を有するが、その最大値は、図３においては例としてビームウエストの中心に一致する。被写界深度は、ビーム方向において有用なプロセスウィンドウを規定する。プロセスウィンドウの前端及び後端において、短軸ビーム幅は、それぞれ、短軸ビーム幅の最大値よりも１０％小さく、好ましくはそれぞれ、その最大値よりも５％小さく、特に好ましくはそれぞれ、その最大値よりも１％小さい。ドリフト長５０は被写界深度４６より小さいため、熱レンズの影響によって焦点面が変位しても、ビームプロファイル２８はワークを加工するためにプロセスウィンドウ内に保たれる。短軸３２のための伸縮アセンブリの手前のビーム経路に位相素子５２を配置することは、ＬＬＯ応用に、及び短軸３２においてガウシアン形状のビームプロファイルを有する他の応用に特に有利である。 In some advantageous embodiments, depth of field 46 is defined based on short axis beam width 33 varying along beam direction 23 . The short axis beam width 33 varies along the beam direction and has a maximum at one point, which in FIG. 3 coincides with the center of the beam waist as an example. Depth of field defines the useful process window in the beam direction. At the leading and trailing edges of the process window, the short axis beam width is each 10% smaller than the maximum minor axis beam width, preferably each 5% smaller than its maximum, particularly preferably each its maximum 1% smaller than the value. Because the drift length 50 is less than the depth of field 46, the beam profile 28 remains within the process window for processing the workpiece even though the focal plane is displaced by thermal lens effects. Placing the phase element 52 in the beam path before the telescoping assembly for the minor axis 32 is particularly advantageous for LLO applications and other applications having a Gaussian shaped beam profile at the minor axis 32 .

図４ａ及び図４ｂに示す実施例においては、位相素子５２は、短軸のための伸縮アセンブリの光学素子３６，３８の間に配置されている。この場合、位相素子５２は、主にビームプロファイル２８の短軸３２の遠視野に影響を与える。そのような位相素子５２の配置は、ＳＬＡ応用、及び、トップハットのビームプロファイルを有する他の応用に有利である。 In the embodiment shown in Figures 4a and 4b, the phase element 52 is placed between the optical elements 36, 38 of the telescopic assembly for the short axis. In this case, phase element 52 primarily affects the far field of short axis 32 of beam profile 28 . Such a phase element 52 arrangement is advantageous for SLA applications and other applications with top-hat beam profiles.

図１ａ及び１ｂ、並びに図４ａ及び４ｂの実施例においては、位相素子５２は、それぞれ、１つ以上の屈折光学素子、１つ以上の回折光学素子、及び／又は、１つの空間光変調器を実装し得る。 In the embodiments of FIGS. 1a and 1b and FIGS. 4a and 4b, phase element 52 comprises one or more refractive optical elements, one or more diffractive optical elements, and/or one spatial light modulator, respectively. can be implemented.

図５ａ及び図５ｂによる実施例においては、専用の位相素子５２は必要ない。その実施例においては、むしろ、特に対物レンズ４０のエッジ領域からの、光学素子の収差が、より大きな被写界深度４６を達成するために利用される。原理的には、専用の位相素子を併用することも可能である（ここでは図示せず）。有利なことに、本実施例の光学アセンブリ２０は、回折制限を受けない。扇状に広げられたレーザビームは、本実施例においては対物レンズ４０をエッジ領域まで、例えば短軸方向の視野においてレンズ半径の外側２０％のエッジ領域まで照らす。これだけによっても、レーザビームの放射パワーがより大きなレンズ面積に分散され、対物レンズ４０の局所的な加熱が抑えられるという利点がある。このため、本実施例においては、ドリフト長を有利に短縮することができる。さらに、対物レンズのエッジ領域からの収差によって、被写界深度が大きくなる。被写界深度４６に対するドリフト長５０の商に有利な影響が与えられる。それによって生じる短軸方向におけるビーム品質の劣化は、多くの応用において許容される。 In the embodiment according to FIGS. 5a and 5b no dedicated phase element 52 is required. In that embodiment, rather, the aberrations of the optical elements, especially from the edge regions of the objective lens 40, are exploited to achieve a greater depth of field 46. FIG. In principle, it is also possible to use a dedicated phase element (not shown here). Advantageously, the optical assembly 20 of this embodiment is not diffraction limited. The fanned laser beam illuminates the objective lens 40 to the edge region, for example the outer 20% of the lens radius in the short axis field of view in this embodiment. This alone has the advantage of distributing the radiant power of the laser beam over a larger lens area and reducing local heating of the objective lens 40 . Therefore, in this embodiment, the drift length can be advantageously shortened. In addition, aberrations from the edge regions of the objective increase the depth of field. The quotient of drift length 50 to depth of field 46 is favorably affected. The resulting degradation of beam quality in the short axis direction is acceptable in many applications.

好ましい実施例においては、対物レンズ４０は平凸レンズを含み、その凸面５４が作業面１４の方を向いており、一方、その平面５６が伸縮アセンブリ３６，３８の方を向いている。この対物レンズの向きは、汎用の装置の光学アセンブリとしては非常に珍しいものである。しかしながら、それは、対物レンズ４０のエッジ領域からの球面収差の効果を強める。 In a preferred embodiment, the objective lens 40 comprises a plano-convex lens with its convex surface 54 facing the work surface 14 while its flat surface 56 faces the telescoping assemblies 36,38. This objective lens orientation is very unusual for an optical assembly in a general purpose device. However, it enhances the effect of spherical aberration from the edge regions of objective lens 40 .

対物レンズの設計基準は、所望の長手方向の変位に基づくものである。波面収差Ｗ（ｙ_ｐ）は、長手方向の収差に変換できる。 Objective lens design criteria are based on the desired longitudinal displacement. Wavefront aberration W(y _p ) can be converted to longitudinal aberration.

ここで、Δｓ’は長手方向の変位、ｎ’は像側の屈折率、Ｒは基準球の半径、ｙ_ｐは瞳座標である。

where Δs′ is the longitudinal displacement, n′ is the image-side refractive index, R is the radius of the reference sphere, and _yp is the pupil coordinate.

シリンドリカルレンズの場合、波面収差は、Ｗ_ｓｐｈ（ｙ_ｐ）∝ｙ_ｐ ^４となる。したがって、空気中の全長手方向の変位は、Δｓ’＝ａＲ^２ｙ_ｐ ^２となる。ここで、ａは球面収差の度合いを表すもので、対物レンズの設計に依存する。 In the case of a cylindrical lens, the wavefront aberration is W _sph (y _p )∝y _p ⁴ . Therefore, the full length lateral displacement in air is Δs′=aR ² y _p ² . Here, a represents the degree of spherical aberration and depends on the design of the objective lens.

固有焦点距離ｆの対物レンズのガウシアン照射ｙ_ｐの場合、 For a Gaussian illumination _yp of an objective lens of eigenfocal length f,

の熱屈折力が生成される。ここで、αはワークの吸収、κは材料の熱伝導率、Ｌ_ｘは長軸方向のライン長、ｙ_ｐは照射のビーム半径である。ガラスの膨張と同様に屈折率の変化も定数γに集約される。

of thermal power is generated. where α is the workpiece absorption, κ is the thermal conductivity of the material, L _x is the longitudinal line length, and y _p is the beam radius of the irradiation. As with the expansion of glass, the change in refractive index is also summarized by a constant γ.

ここで、Ｐ_０はレーザ出力である。熱レンズは、大きな焦点変位を発生させる。

where P ₀ is the laser power. Thermal lenses produce large focal displacements.

同時に、作業面に入射する、短軸に沿ったビームは、被写界深度によって特徴付けられる。その被写界深度は、作業面における、照射ｙ_ｐと短軸のビーム径ＦＷとによってほぼスケーリングされる。すなわち、 At the same time, the beam along the minor axis incident on the working surface is characterized by the depth of field. The depth of field is approximately scaled by the illumination _yp and the minor axis beam diameter FW at the working plane. i.e.

短軸の幅ＦＷを大きくすると、被写界深度も大きくなる。照射が小さくなるほど、被写界深度は大きくなる。それに応じて、比は以下となる。 Increasing the minor axis width FW also increases the depth of field. The smaller the illumination, the greater the depth of field. Correspondingly, the ratio is:

出力密度Ｐ_０／ＦＷは定数であり、プロセスを通じてあらかじめ規定されている。焦点距離ｆは作動距離から得られる。すなわち、回折限界の場合、焦点変位と被写界深度との商は、照射ｙ_ｐに依存しない。これに対して、本新規装置の実施例においては、被写界深度は照射によって大きくは減少しない。したがって、商Ｑはｙ_ｐの関数であり、もはやそれから独立していない。それによって、商Ｑは１より小さく、好ましくは１よりはるかに小さい。 The power density P ₀ /FW is a constant and predefined throughout the process. The focal length f is obtained from the working distance. That is, for the diffraction limited case, the quotient of focal displacement and depth of field does not depend on the illumination _yp . In contrast, in embodiments of the novel apparatus, the depth of field is not significantly reduced by illumination. The quotient Q is therefore a function of _yp and is no longer independent of it. Thereby the quotient Q is less than one, preferably much less than one.

１２レーザライン
１４作業面
１６レーザ光源
１８原ビーム
２０光学アセンブリ
２２照射ビーム
２３ビーム方向
２６ホモジナイザ
２８ビームプロファイル
３０長軸
３１長軸ビーム幅
３２短軸
３３短軸ビーム幅
３６，３８光学素子（伸縮アセンブリ）
４０光学素子（対物レンズ）
４２規定位置
４４ビームウエスト
４６被写界深度
５０ドリフト長
５２光学位相素子
５４第２の凸面
５６第１の平面 12 laser line 14 working surface 16 laser source 18 original beam 20 optical assembly 22 illumination beam 23 beam direction 26 homogenizer 28 beam profile 30 major axis 31 major axis beam width 32 minor axis 33 minor axis beam width 36, 38 optical element (telescopic assembly )
40 optical element (objective lens)
42 defined position 44 beam waist 46 depth of field 50 drift length 52 optical phase element 54 second convex surface 56 first plane

Claims

作業面（１４）上に規定のレーザライン（１２）を生成するための装置であって、
原ビーム（１８）を生成するように構成されたレーザ光源（１６）と、
前記原ビーム（１８）を受け取り、それを前記作業面（１４）上に入射する照射ビーム（２２）に変換する光学アセンブリ（２０）と、を備え、
前記照射ビーム（２２）は、前記作業面（１４）と交差するビーム方向（２３）を規定し、
前記照射ビーム（２２）はビームプロファイル（２８）を有し、そのビームプロファイルは、長軸ビーム幅（３１）を有する長軸（３０）と、短軸ビーム幅（３３）を有する短軸（３２）とを、前記ビーム方向（２３）に対して垂直に有するものであり、
前記光学アセンブリ（２０）は、前記ビームプロファイル（２８）を前記作業面（１４）の領域内の規定位置（４２）に集束させる所定数の光学素子（３６，３８，４０）を有し、
前記規定位置（４２）は、前記レーザ光源（１６）の動作出力及び／又は動作時間に依存して、前記光学素子（３６，３８，４０）の加熱の結果としてドリフト長（５０）だけ変位する、装置において、
前記ビームプロファイル（２８）の前記短軸ビーム幅（３３）は、前記ビーム方向（２３）に沿って変化し、その際、有用なプロセスウィンドウを規定し、
前記光学アセンブリ（２０）は、前記ドリフト長（５０）よりも大きいビーム方向の被写界深度（４６）を有する前記有用なプロセスウィンドウを生成するように構成されていることを特徴とする、装置。 A device for generating a defined laser line (12) on a work surface (14), comprising:
a laser light source (16) configured to produce an original beam (18);
an optical assembly (20) for receiving said original beam (18) and converting it into an illumination beam (22) incident on said work surface (14);
said radiation beam (22) defines a beam direction (23) that intersects said work surface (14);
The illumination beam (22) has a beam profile (28) having a major axis (30) with a major axis beam width (31) and a minor axis (32) with a minor axis beam width (33). ) perpendicular to said beam direction (23),
said optical assembly (20) having a predetermined number of optical elements (36, 38, 40) for focusing said beam profile (28) to defined locations (42) within the area of said working surface (14);
Said defined position (42) is displaced by a drift length (50) as a result of heating of said optical element (36, 38, 40) depending on the operating power and/or operating time of said laser light source (16). , in the device
the short axis beam width (33) of the beam profile (28) varies along the beam direction (23) thereby defining a useful process window;
The apparatus characterized in that said optical assembly (20) is configured to produce said useful process window having a beam direction depth of field (46) greater than said drift length (50). .

前記ビーム方向（２３）に沿った前記短軸ビーム幅（３３）が最大値を有し、
前記プロセスウィンドウは、ビーム方向において前端と後端とを有し、
前記前端及び後端における前記短軸ビーム幅（３３）が、それぞれ前記最大値よりも最大１０％小さく、好ましくはそれぞれ前記最大値よりも最大５％小さく、特に好ましくはそれぞれ前記最大値よりも１％小さいことを特徴とする、請求項１に記載の装置。 said minor axis beam width (33) along said beam direction (23) having a maximum value;
the process window has a leading edge and a trailing edge in the beam direction;
The short axis beam widths (33) at the front and rear ends are each max. % less.

前記光学素子（３６，３８，４０）は、前記ビームプロファイル（２８）の前記短軸（３２）に関して光学屈折力を有し、互いに相対的に固定されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。 Claim 1, characterized in that said optical elements (36, 38, 40) have optical power with respect to said minor axis (32) of said beam profile (28) and are fixed relative to each other. Or the device according to 2.

前記照射ビーム（２２）は、ビーム方向においてビームウエスト（４４）を有し、
前記光学アセンブリ（２０）は、前記ビームウエスト（４４）を前記作業面（１４）の領域において生成するように構成されていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の装置。 said radiation beam (22) having a beam waist (44) in the beam direction;
4. The optical assembly (20) according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the optical assembly (20) is arranged to generate the beam waist (44) in the region of the working surface (14). device.

前記光学アセンブリ（２０）は、前記照射ビーム（２２）にアキシコン形状の位相面を刻み込む光学位相素子（５２）を有することを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の装置。 Apparatus according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the optical assembly (20) comprises an optical phase element (52) for imprinting an axicon-shaped phase front on the radiation beam (22). .

前記光学位相素子（５２）は、屈折光学素子、特にプリズム研磨レンズ又は非シリンドリカル研磨レンズを含むことを特徴とする、請求項５に記載の装置。 6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the optical phase element (52) comprises a refractive optical element, in particular a prismatic polished lens or a non-cylindrical polished lens.

前記光学位相素子（５２）は、回折光学素子を含むことを特徴とする、請求項５又は６に記載の装置。 7. Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the optical phase element (52) comprises a diffractive optical element.

前記光学位相素子（５２）は、空間光変調器を含むことを特徴とする、請求項５～７のいずれか一項に記載の装置。 A device according to any one of claims 5 to 7, characterized in that said optical phase element (52) comprises a spatial light modulator.

前記光学アセンブリ（２０）は、少なくとも２つの互いに離れて配置された光学素子（３６，３８）を含む伸縮アセンブリを有し、その少なくとも２つの光学素子は前記ビームプロファイル（２８）の前記短軸（３２）に関して光学屈折力を有しており、
前記光学位相素子（５２）は、前記ビーム方向に見て、前記伸縮アセンブリの手前に配置されていることを特徴とする、請求項５～８のいずれか一項に記載の装置。 Said optical assembly (20) comprises a telescopic assembly comprising at least two spaced apart optical elements (36, 38), said at least two optical elements being aligned with said minor axis ( 32) has an optical refractive power with respect to
Device according to any one of claims 5 to 8, characterized in that the optical phase element (52) is arranged in front of the telescopic assembly, seen in the beam direction.

前記光学アセンブリ（２０）は、少なくとも２つの互いに離れて配置された光学素子（３６，３８）を含む伸縮アセンブリを有し、その少なくとも２つの光学素子は前記ビームプロファイル（２８）の前記短軸（３２）に関して光学屈折力を有しており、
前記光学位相素子（５２）は、前記伸縮アセンブリの前記少なくとも２つの互いに離れて配置された光学素子（３６，３８）の間に配置されていることを特徴とする、請求項５～８のいずれか一項に記載の装置。 Said optical assembly (20) comprises a telescopic assembly comprising at least two spaced apart optical elements (36, 38), said at least two optical elements being aligned with said minor axis ( 32) has an optical refractive power with respect to
9. Any one of claims 5 to 8, characterized in that said optical phase element (52) is arranged between said at least two spaced apart optical elements (36, 38) of said telescoping assembly. or a device according to claim 1.

前記光学アセンブリ（２０）は、エッジ領域に収差を有する対物レンズ（４０）を有し、
前記照射ビーム（２２）は、前記エッジ領域からのビーム部分を含むことを特徴とする、請求項１～１０のいずれか一項に記載の装置。 The optical assembly (20) has an objective lens (40) with aberrations in the edge region,
A device according to any one of the preceding claims, characterized in that said illuminating beam (22) comprises a beam portion from said edge region.

前記光学アセンブリ（２０）は、第１の平面（５６）と第２の凸面（５４）とを有する少なくとも１つの平凸レンズ（４０）を有し、
前記凸面（５４）は、前記作業面（１４）に向けられていることを特徴とする、請求項１～１１のいずれか一項に記載の装置。 the optical assembly (20) comprises at least one plano-convex lens (40) having a first planar surface (56) and a second convex surface (54);
A device according to any one of the preceding claims, characterized in that said convex surface (54) is directed towards said working surface (14).

前記少なくとも１つの平凸レンズ（４０）は、前記光学アセンブリ（２０）のビーム方向において末端素子であることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。 13. Apparatus according to claim 12, characterized in that said at least one plano-convex lens (40) is a terminal element in the beam direction of said optical assembly (20).