▶ トルンプフ レーザー− ウント ジュステームテヒニク ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-09-04
(54)【発明の名称】作業面上に規定のレーザラインを生成するための装置
(51)【国際特許分類】
B23K 26/073 20060101AFI20230828BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20230828BHJP
G02B 27/09 20060101ALI20230828BHJP
G02B 5/00 20060101ALI20230828BHJP
B23K 26/354 20140101ALN20230828BHJP
【ＦＩ】
B23K26/073
B23K26/064
G02B27/09
G02B5/00 Z
B23K26/354
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023510377
(86)(22)【出願日】2021-08-03
(85)【翻訳文提出日】2023-02-13
(86)【国際出願番号】 EP2021071651
(87)【国際公開番号】W WO2022033923
(87)【国際公開日】2022-02-17
(31)【優先権主張番号】102020121440.5
(32)【優先日】2020-08-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】506065105
【氏名又は名称】トルンプフ レーザー－ ウント ジュステームテヒニク ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
【氏名又は名称原語表記】ＴＲＵＭＰＦ Ｌａｓｅｒ－ ｕｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｔｅｃｈｎｉｋ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｊｏｈａｎｎ－Ｍａｕｓ－Ｓｔｒａｓｓｅ ２， Ｄ－７１２５４ Ｄｉｔｚｉｎｇｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】100114890
【弁理士】
【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト
(74)【代理人】
【識別番号】100098501
【弁理士】
【氏名又は名称】森田 拓
(74)【代理人】
【識別番号】100116403
【弁理士】
【氏名又は名称】前川 純一
(74)【代理人】
【識別番号】100134315
【弁理士】
【氏名又は名称】永島 秀郎
(74)【代理人】
【識別番号】100162880
【弁理士】
【氏名又は名称】上島 類
(72)【発明者】
【氏名】アンドレアス ハイメス
(72)【発明者】
【氏名】マーティン ヴィマー
(72)【発明者】
【氏名】ユリアン ヘルシュテアン
(72)【発明者】
【氏名】マリオ シュヴァルツ
【テーマコード（参考）】
2H042
4E168
【Ｆターム（参考）】
2H042AA03
2H042AA05
2H042AA19
2H042AA20
2H042AA21
4E168AC01
4E168AC03
4E168DA02
4E168DA03
4E168DA04
4E168DA24
4E168DA25
4E168DA26
4E168DA38
4E168EA05
4E168EA13
4E168KA17
4E168KB02
(57)【要約】
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。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。
【請求項2】
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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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。
【請求項5】
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。
【請求項6】
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。
【請求項7】
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。
【請求項8】
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。
【請求項9】
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。
【請求項10】
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。
【請求項11】
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。
【請求項12】
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。
【請求項13】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
そのような装置は、例えば、特許文献１に開示されている。
【0003】
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（Ｌａｓｅｒ Ｌｉｆｔ Ｏｆｆ）と呼ばれることが多い。
【0004】
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Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ又はＳＬＡと呼ばれることが多い。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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、Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】独国特許出願公開第１０２０１８２０００７８号明細書
【特許文献2】国際公開第２０１８／０１９３７４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
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。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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％（Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ、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％（Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ ９０％ ｏｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）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。
【0015】
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。
【0016】
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ｗ０からの距離であり、すなわち以下が適用される。
【0017】
【数1】
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
さらなる一形態においては、光位相素子は、空間光変調器（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，ＳＬＭ）を含む。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1a】本新規装置の第１の実施例を示す概略的な図である。
【図1b】本新規装置の第１の実施例を示す概略的な図である。
【図2】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。
【図3】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。
【図4a】本新規装置の第２の実施例を示す概略的な図である。
【図4b】本新規装置の第２の実施例を示す概略的な図である。
【図5a】本新規装置のさらなる実施例を示す概略的な図である。
【図5b】本新規装置のさらなる実施例を示す概略的な図である。
【発明を実施するための形態】
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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（ｙｐ）は、長手方向の収差に変換できる。
【0052】
【数2】
【0053】
シリンドリカルレンズの場合、波面収差は、Ｗｓｐｈ（ｙｐ）∝ｙｐ
４となる。したがって、空気中の全長手方向の変位は、Δｓ’＝ａＲ２ｙｐ
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。
【0054】
固有焦点距離ｆの対物レンズのガウシアン照射ｙｐの場合、
【0055】
【数3】
【0056】
【数4】
【0057】
【数5】
【0058】
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ｙｐ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、
【0059】
【数6】
【0060】
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。
【0061】
【数7】
【0062】
出力密度Ｐ０／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ｙｐ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ｙｐ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。
【符号の説明】
【0063】
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
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
【図1a】
【図1b】
【図2】
【図3】
【図4a】
【図4b】
【図5a】
【図5b】
【国際調査報告】