▶ 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】2023-10-31
(54)【発明の名称】作業面上にレーザラインを生成する装置
(51)【国際特許分類】
G02B 7/00 20210101AFI20231024BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20231024BHJP
B23K 26/073 20060101ALI20231024BHJP
【ＦＩ】
G02B7/00 A
B23K26/064 A
B23K26/073
G02B7/00 D
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023521407
(86)(22)【出願日】2021-10-07
(85)【翻訳文提出日】2023-04-06
(86)【国際出願番号】 EP2021077644
(87)【国際公開番号】W WO2022074095
(87)【国際公開日】2022-04-14
(31)【優先権主張番号】102020126267.1
(32)【優先日】2020-10-07
(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】ユリアン ヘルシュテアン
(72)【発明者】
【氏名】マーティン ヴィマー
【テーマコード（参考）】
2H043
4E168
【Ｆターム（参考）】
2H043AA02
2H043AA06
2H043AA20
2H043AA23
4E168AC01
4E168AC03
4E168AE05
4E168DA02
4E168DA03
4E168DA04
4E168DA24
4E168DA25
4E168DA26
4E168DA34
4E168DA38
4E168EA09
4E168EA12
(57)【要約】
作業面（１４）上にレーザライン（１２）を生成する装置は、第１の未処理レーザビーム（２０ａ）を生成するように構成された第１のレーザ光源（１６ａ）を有する。この装置はさらに、第２の未処理レーザビーム（２０ｂ）を生成するように構成された第２のレーザ光源（１６ｂ）を有する。第１のビーム路（３２ａ）を備えた光学装置（２２）は、第１の未処理レーザビーム（２０ａ）を受光し、このビームを第１の光軸（３４ａ）に沿って、第１のコースティクス（３８ａ）および第１のビームプロフィル（４０ａ）を有する第１の照射ビーム（２４ａ）に変形する。光学装置（２２）の第２のビーム路（３２ｂ）は、第２の未処理レーザビーム（２０ｂ）を受光し、このビームを第２の光軸（３４ｂ）に沿って、第２のコースティクス（３８ｂ）および第２のビームプロフィル（４０ｂ）を有する第２の照射ビーム（２４ｂ）に変形する。第１の照射ビーム（２４ａ）および第２の照射ビーム（２４ｂ）は、オーバーラップしながら作業面（１４）に向かって配向されていて、１つの共通の照射方向（１８）を規定している。第１のビームプロフィル（４０ａ）および第２のビームプロフィル（４０ｂ）は、共通の照射方向（１８）に対し垂直に、所定の長軸ビーム幅を持つ長軸と、所定の短軸ビーム幅を持つ短軸とをそれぞれ有する。第１のビームプロフィル（４０ａ）と第２のビームプロフィル（４０ｂ）とが合わさって、作業面（１４）上にレーザライン（１２）を形成する。１つの態様によれば、光学装置（２２）は、第１のコースティクス（３８ａ）と第２のコースティクス（３８ｂ）とを、照射方向（１８）で互いにずらしてポジショニング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）上にレーザライン（１２）を生成する装置であって、当該装置は、第１の未処理レーザビーム（２０ａ）を生成するように構成された第１のレーザ光源（１６ａ）と、第２の未処理レーザビーム（２０ｂ）を生成するように構成された第２のレーザ光源（１６ｂ）と、光学装置（２２）とを備え、
該光学装置（２２）は、前記第１の未処理レーザビーム（２０ａ）を受光し、第１の光軸（３４ａ）に沿って、第１のコースティクス（３８ａ）および第１のビームプロフィル（４０ａ）を有する第１の照射ビーム（２４ａ）に変形する第１のビーム路（３２ａ）と、前記第２の未処理レーザビーム（２０ｂ）を受光し、第２の光軸（３４ｂ）に沿って、第２のコースティクス（３８ｂ）および第２のビームプロフィル（４０ｂ）を有する第２の照射ビーム（２４ｂ）に変形する第２のビーム路（３２ｂ）とを備え、
前記第１の照射ビーム（２４ａ）および前記第２の照射ビーム（２４ｂ）は、オーバーラップしながら前記作業面（１４）に向かって配向されていて、１つの共通の照射方向（１８）を規定し、
前記第１の照射ビーム（２４ａ）および前記第２の照射ビーム（２４ｂ）は、オーバーラップしながら前記作業面（１４）に向かって配向されていて、１つの共通の照射方向（１８）を規定し、
前記第１のビームプロフィル（４０ａ）および前記第２のビームプロフィル（４０ｂ）は、前記共通の照射方向（１８）に対し垂直に、所定の長軸ビーム幅を持つ長軸と、所定の短軸ビーム幅を持つ短軸とをそれぞれ有し、
前記第１のビームプロフィル（４０ａ）と前記第２のビームプロフィル（４０ｂ）とが合わさって、前記作業面（１４）上に前記レーザライン（１２）を形成する、
作業面（１４）上にレーザライン（１２）を生成する装置において、
前記光学装置（２２）は、前記第１のコースティクス（３８ａ）と前記第２のコースティクス（３８ｂ）とを、前記照射方向（１８）で互いにずらしてポジショニングするように構成されていることを特徴とする、
作業面（１４）上にレーザライン（１２）を生成する装置。
【請求項2】
前記光学装置は、前記第１のビーム路（３２ａ）に第１のビーム変換器（２６ａ）を、前記第２のビーム路（３２ｂ）に第２のビーム変換器（２６ｂ）を有し、前記第１のビーム変換器（２６ａ）は、前記第１の未処理レーザビーム（２０ａ）を変形して、前記第１のビームプロフィル（４０ａ）を生成し、
前記第２のビーム変換器（２６ｂ）は、前記第２の未処理レーザビーム（２０ｂ）を変形して、前記第２のビームプロフィル（４０ｂ）を生成し、
前記第１の光軸（３４ａ）と前記第２の光軸（３４ｂ）とが１つの共通のシステム軸（３６）を規定し、
前記第１のビーム変換器（２６ａ）および前記第２のビーム変換器（２６ｂ）は、前記共通のシステム軸（３６）に沿って互いに相対的にずらされて配置されている、
請求項１記載の装置。
【請求項3】
前記光学装置（２２）は、少なくとも１つのビーム変換器（２６ａ，２６ｂ）を含み、該ビーム変換器（２６ａ，２６ｂ）は、前記第１の未処理レーザビーム（２０ａ）および／または前記第２の未処理レーザビーム（２０ｂ）を変形して、相応の前記第１のビームプロフィル（４０ａ）および／または前記第２のビームプロフィル（４０ｂ）を生成し、 前記光学装置（２２）は、前記第２のビーム路（３２ｂ）に光学素子（５４）を有し、該光学素子（５４）は、前記第２のコースティクス（３８ｂ）を前記第１のコースティクス（３８ａ）に対し相対的にずらす、請求項１または２記載の装置。
【請求項4】
前記第１のコースティクス（３８ａ）は、照射方向（１８）においてプロセスウィンドウ長（４６ａ）を有するプロセスウィンドウ（４６ａ）を規定し、前記第１のコースティクス（３８ａ）および前記第２のコースティクス（３８ｂ）は、前記照射方向（１８）において規定された距離（４８）だけずらされており、該距離（４８）は、前記プロセスウィンドウ長の１．５倍よりも短く、かつ前記プロセスウィンドウ長の０．５倍よりも長く、好ましくは前記プロセスウィンドウ長の１．２倍よりも短く、かつ前記プロセスウィンドウ長の０．８倍よりも長く、特に好ましくは前記プロセスウィンドウ長（４６ａ）の１．１倍よりも短く、かつ前記プロセスウィンドウ長の０．９倍よりも長い、
請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項5】
前記光学装置（２２）は、少なくとも１つのレンズ（３０ａ）を有し、該レンズ（３０ａ）は、前記第１のビームプロフィル（４０ａ）および前記第２のビームプロフィル（４０ｂ）の前記短軸に関して優勢な光学的屈折力を有し、前記レンズ（３０ａ）は、前記短軸に関して所定の実効直径（５２）を有し、
前記第１の照射ビーム（２４ａ）および／または前記第２の照射ビーム（２４ｂ）は、前記実効直径（５２）の５０％を超えて、好ましくは７０％を超えて、さらに好ましくは９０％を超えて、前記レンズを照射する、
請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項6】
前記第１のビーム路（３２ａ）は第１の中間像を生成し、前記第２のビーム路は第２の中間像（６０）を生成し、
前記第１の光軸および前記第２の光軸は、１つの共通のシステム軸（３６）を規定し、前記第１の中間像および前記第２の中間像は、該共通のシステム軸（３６）に沿って互いに相対的にずらされて配置されている、
請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項7】
前記光学装置は、前記第１のビーム路（３２ａ）に第１のビーム変換器（２６ａ）を、前記第２のビーム路（３２ｂ）に第２のビーム変換器（２６ｂ）を有し、前記第２のビーム変換器（２６ｂ）は、前記第１のビーム変換器（２６ａ）に対し相対的に、前記第２の光軸（３４ｂ）を中心に回転させられている（６６）、
請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項8】
前記光学装置（２２）は、前記第１のビーム路（３２ａ）および前記第２のビーム路（３２ｂ）に明確な絞りを有することなく、前記第１のビームプロフィル（４０ａ）および前記第２のビームプロフィル（４０ｂ）を前記作業面（１４）上にフォーカシングする、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項9】
前記光学装置（２２）は、前記第１のビームプロフィル（４０ａ）および前記第２のビームプロフィル（４０ｂ）を、個々の前記長軸および個々の前記短軸において重ね合わせる、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、作業面にレーザラインを生成する装置に関する。この装置は、第１の未処理レーザビームを生成するように構成された第１のレーザ光源と、第２の未処理レーザビームを生成するように構成された第２のレーザ光源と、光学装置とを備え、この光学装置は、第１の未処理レーザビームを受光し、第１の光軸に沿って、第１のコースティクスおよび第１のビームプロフィルを有する第１の照射ビームに変形する第１のビーム路と、第２の未処理レーザビームを受光し、第２の光軸に沿って、第２のコースティクスおよび第２のビームプロフィルを有する第２の照射ビームに変形する第２のビーム路とを備え、第１の照射ビームおよび第２の照射ビームは、オーバーラップしながら作業面に向かって配向されていて、１つの共通のビーム方向を規定し、第１の照射ビームおよび第２の照射ビームは、オーバーラップしながら作業面に向かって配向されていて、１つの共通の照射方向を規定し、第１のビームプロフィルおよび第２のビームプロフィルは、共通の照射方向に対し垂直に、所定の長軸ビーム幅を持つ長軸と、所定の短軸ビーム幅を持つ短軸とをそれぞれ有し、第１のビームプロフィルと第２のビームプロフィルとが合わさって、作業面上にレーザラインを形成する。
【0002】
かかる装置は、たとえば米国特許出願公開第２０１４／００２７４１７号明細書に示されている。
【0003】
かかる装置のライン状のレーザ照射は典型的には、ワークピースを加工処理するために使用される。ワークピースをたとえば、支持体材料として用いられるガラスプレート上のプラスチック材料とすることができる。プラスチック材料を特にフィルムとすることができ、このフィルム上で有機発光ダイオード、いわゆるＯＬＥＤ、および／または薄膜トランジスタが製造される。ＯＬＥＤフィルムは、スマートフォン、タブレットＰＣ、テレビ機器、および画面表示装置を備えた他の機器における最新のディスプレイのために使用される。電子的な構造の製造後、フィルムをガラス支持体から剥がす必要がある。これを細いレーザラインの形態のレーザ照射によって行うことができ、このレーザラインは、規定された速度でガラスプレートに対して相対的に移動させられ、ガラスプレートを貫通してフィルムの固着した結合を剥がす。この種の用途は実際の運用においては、しばしばＬＬＯもしくはＬａｓｅｒ Ｌｉｆｔ Ｏｆｆと呼ばれる。
【0004】
規定されたレーザラインを用いてワークピースを照射することについて、他の用途として考えられるのは、支持体プレート上の非晶質シリコンを１行ずつ溶融させることである。この場合もレーザラインは、規定された速度でワークピース表面に対して相対的に移動させられる。溶融によって、比較的低コストの非晶質シリコンを高価な多結晶シリコンに変換することができる。この種の用途は実際の運用においては、しばしばＳｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒ ＡｎｎｅａｌｉｎｇまたはＳＬＡと呼ばれる。
【0005】
この種の用途のためには、作業面上において以下のようなレーザラインが必要とされる。すなわちこのレーザラインは、一方の方向では、できるかぎり幅の広い作業面を捕捉する目的でできるかぎり長く、これとは対照的に他方の方向では、個々のプロセスに対して必要とされるエネルギー密度を供給する目的で著しく短い。したがって、作業面に対して平行に長く細いレーザラインを生成できる装置が望まれている。レーザラインが延在する方向は、一般にいわゆるビームプロフィルの長軸と呼ばれ、ラインの厚さは短軸と呼ばれる。通常、レーザラインは両方の軸において、それぞれ規定された強度推移を有するのが望ましい。たとえば、レーザラインが長軸においてできるかぎり矩形または場合によっては台形の強度プロフィルを有するのが望ましく、この場合、後者が有利になり得るのは、かかる複数のレーザラインを互いにまとめて、もっと長い全体ラインを形成しようという場合である。短軸においては、用途に応じて矩形の強度プロフィル（いわゆるトップハットプロフィル）、ガウスプロフィル、または別の強度プロフィルが望まれている。
【0006】
国際公開第２０１８／０１９３７４号には、光学装置の光学素子に関する多数の詳細な点を含む適切な装置が開示されている。レーザ源は未処理レーザビームを生成し、長軸を得る目的でこの未処理レーザビームは、いわゆるビーム変換器によって、第１の空間方向において著しく広く扇状に拡開され、次いで均質化される。これに対し垂直に位置する第２の空間方向では、短軸を得る目的でレーザビームがフォーカシングされる。第１の空間方向および第２の空間方向は、レーザビームが作業面に当たるビーム方向に対し垂直に位置している。１つの実施例において示唆されているのは、かかる複数のレーザラインを個々の長軸の方向で互いに並置できる、ということであり、このようにして著しく長いレーザラインが形成される。つまり作業面上にそれぞれ１つのレーザラインを形成する２つの平行な照射ビームは、この実施例では長軸の方向でずらされている。
【0007】
上述の米国特許出願公開第２０１４／００２７４１７号明細書には、冒頭に述べた形式の装置が開示されており、この場合、第１の照射ビームと第２の照射ビームとが、個々の短軸の方向で互いにずらされている。ここでは第１のビームプロフィルと第２のビームプロフィルとが合わさって、階段状の強度プロフィルを有する１つのレーザラインを形成し、このようにしてワークピースにもたらされるエネルギー自体を、レーザ加工処理の経過中に変化する材料特性に適合させることができる。
【0008】
独国特許出願公開第１０２０１８２０００７８号明細書には、短軸に関して光学的屈折力を有するテレスコープ装置を用いてレーザラインを生成する光学装置が開示されている。テレスコープ装置には、光軸に沿って互いに相対的に可動である第１のレンズグループと第２のレンズグループとが含まれている。制御ユニットは、レーザラインの強度およびそのいわゆる半値幅、すなわち強度の５０％におけるライン幅（Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ，ＦＷＨＭ）を時間的にできるだけ一定に維持する目的で、レーザビーム源がレーザビームを生成する間の運動を制御する。ここで判明したのは、レーザビームの生成中に光学装置の特性が変化する可能性がある、ということである。特に、レーザビームに起因する光学素子の加熱によって、装置の光学特性を変化させるいわゆる熱レンズが形成される可能性がある。独国特許出願公開第１０２０１８２０００７８号明細書によれば、このことから生じる焦点ポジションの変化を、テレスコープレンズを互いに相対的に変位させることによって、補償するまたは少なくとも低減することが提案されている。
【0009】
この解決手段の欠点は、テレスコープレンズのポジション調整のために必要とされる機械的なコストである。この運動は摩耗を引き起こすおそれがあり、かつ／または光学装置の誤調整を引き起こすおそれがある。このことに鑑み本発明の課題は、代替的な手法で作業面をこの装置の作業領域内に維持するために役立つ、冒頭で述べた形式の装置を提供することである。
【0010】
本発明の１つの態様によれば、この課題を解決するために、冒頭で述べた形式の装置が提示され、この場合、光学装置は、第１のコースティクスと第２のコースティクスとを、照射方向で互いにずらしてポジショニングするように構成されている。
【0011】
レーザビームのコースティクスは、光学装置の出口からいわゆるビーム焦点への、すなわち最小ビーム直径の場所への、しかも照射方向もしくはビーム伝播方向におけるビーム直径の推移を表す。ビームコースティクスはビームウエストと呼ばれることも多く、したがってコースティクスはレーザビームのビームウエストを含む。よって、好ましい実施例において、特に第１の照射ビームおよび第２の照射ビームのビームウエストが、照射方向もしくはビーム伝播方向で互いに相対的にずらされている。したがって光学装置はこの実施例の場合、第１の照射ビームのビームウエスト（第１のビームウエスト）と第２の照射ビームのビームウエスト（第２のビームウエスト）とを、照射方向で互いにずらしてポジショニングするように構成されている。好ましい実施例において、第１のコースティクスと、第２のコースティクスとは、とりわけ短軸においてコースティクスを観察した場合には、照射方向で互いにずらされているが、長軸においてコースティクスを観察した場合にはまったく、またはせいぜいかろうじて僅かにずらされているだけである。
【0012】
この新たな装置により、短軸におけるビームプロフィルのフォーカシングを生じさせる光学装置もしくは光学素子の互いに相対的な機械的調整を、省略することが可能になる。それというのも、短軸において（さらに長軸においても）ずらされたコースティクスがオーバーラップするからである。その結果、ワークピースを加工するためのプロセスウィンドウが拡大される。熱レンズまたはその他の作用に起因するフォーカスドリフトが生じたとしても、レーザ動作中に機械的に追従調整することなく、ワークピースをプロセスウィンドウ内に保持することができる。
【0013】
したがって好ましくは、ビームプロフィルの短軸に関して光学的屈折力を有する光学素子は、互いに相対的に固定された距離を有する。いくつかの好ましい実施例において、光学素子はそれぞれ定置されている。これによって機械的な摩耗が少なくなり、さらに機械的運動に起因して光学装置が誤調整されるリスクも少なくなる。
【0014】
むしろこの新たな装置は、以下では一部では長手方向とも称するビーム方向において、少なくとも２つのオーバーラップさせられ互いにずらされたコースティクスによって、プロセスウィンドウを所期のように拡大する、という着想に基づいている。したがって好ましい実施例において、新たな装置は、レーザ光源の動作出力および／または動作持続時間に応じた光学素子の加熱に起因するフォーカスドリフトを、意図的に甘受している。ただし光学装置は所期のように、フォーカスポジションのドリフトが生じたとしてもビームプロフィルがプロセスウィンドウ内にとどまるように、一緒に形成されるビームプロフィルのビーム品質を、特に短軸において低減するように構成されている。機械的な追従の代わりに、光学装置は、互いにずらされた２つのコースティクスによって所期のように、いっそう深い被写界深度に合わせて設計されている。
【0015】
したがって新たな装置は、被写界深度とフォーカスシフトとの比に好影響を及ぼす光学装置を有する。装置のプロセスウィンドウは、従来技術の装置に比べて拡大されている。機械的な追従制御およびこれに付随する欠点を回避することができる。よって、上述の課題は完全に解決されている。
【0016】
１つの好ましい実施形態において、光学装置は、第１のビーム路に第１のビーム変換器を、第２のビーム路に第２のビーム変換器を有し、第１のビーム変換器は、第１の未処理レーザビームを変形して、第１のビームプロフィルを生成し、第２のビーム変換器は、第２の未処理レーザビームを変形して、第２のビームプロフィルを生成し、第１の光軸と第２の光軸とが１つの共通のシステム軸を規定し、第１のビーム変換器および第２のビーム変換器は、共通のシステム軸に沿って互いに相対的にずらされて配置されている。
【0017】
この実施形態の場合、照射ビームごとに「固有の」ビーム変換器が用意されており、その際に（少なくとも）２つのビーム変換器が、共通のシステム軸に沿って互いにずらされているようにして、第２のコースティクスに対し相対的に第１のコースティクスのオフセットが達成される。この実施形態は、第１のビーム路と第２のビーム路とをその他の点で同じように実装することができる、という利点を有する。特に、２つのレーザ部分ビームに影響を及ぼし、したがって（少なくとも）２つの照射ビームを成形する装置の光学素子を、互いに平行にポジショニングすることができる。これによって、新たな装置の製造および保守が容易になる。しかもこの実施形態の場合には、長軸において一緒に形成されるビームプロフィルにほとんど影響が及ぼされない。
【0018】
さらなる実施形態において、光学装置は少なくとも１つのビーム変換器を含み、このビーム変換器は、第１の未処理レーザビームおよび／または第２の未処理レーザビームを変形して、相応の第１のビームプロフィルおよび／または第２のビームプロフィルを生成し、さらに光学装置は、第２のコースティクスを第１のコースティクスに対し相対的にずらす光学素子を、第２のビーム路に有する。
【0019】
この実施形態の場合、第１のビーム路に比べて第２のビーム路が少なくとも１つの付加的な光学素子を有するようにして、第２のコースティクスに対し相対的な第１のコースティクスのオフセットが達成される。よって、第１のビーム路と第２のビーム路とをそれぞれ異なったものとすることができる。付加的な光学素子を、少なくとも１つのビーム変換器の上流または下流に配置することができる。よって、この実施形態の実施例は基本的に、第１の照射ビームおよび第２の照射ビームのためのビーム路が１つの共通のビーム変換器の下流で初めて異なるように、２つの照射ビームに対し共通のビーム変換器を含むことができる。この実施形態の別の実施例において、光学装置は、第１のビーム路および第２のビーム路の各々に１つのビーム変換器を含む。この実施形態のいくつかの好ましい実施例において、付加的な光学素子をテレスコープとすることができ、このテレスコープは、第１のコースティクスのポジションに比べて第２のコースティクスのポジションをシフトさせる。この実施形態が有する利点とは、付加的な光学素子を用いることで、既存の設計をベースに新たな装置の実装を比較的簡単に行うことができる、ということである。
【0020】
さらなる実施形態において、第１のコースティクスは、照射方向で所定のプロセスウィンドウ長を有するプロセスウィンドウを規定し、第１のコースティクスおよび第２のコースティクスは、照射方向において規定された距離だけずらされており、この距離は、プロセスウィンドウ長の１．５倍よりも短く、かつプロセスウィンドウ長の０．５倍よりも長く、好ましくはプロセスウィンドウ長の１．２倍よりも短く、かつプロセスウィンドウ長の０．８倍よりも長く、特に好ましくはプロセスウィンドウ長の１．１倍よりも短く、かつプロセスウィンドウ長の０．９倍よりも長い。
【0021】
この実施形態の場合、コースティクスの互いに相対的オフセットは、光学装置の被写界深度のオーダにある。この場合、被写界深度を、照射方向に沿った短軸におけるビーム幅ＦＷＨＭのパーセンテージ偏差に関して規定することができる。特に、短軸ビーム幅がビームウエストでの短軸ビーム幅に比べて１％だけ、または１％～１０％の間の他のパーセント値だけ広くなっている、短軸コースティクスのポイント間の距離として、被写界深度を規定することができる。この実施形態は、手間のかかる分析において、第１のコースティクスに対し相対的な第２のコースティクスのオフセットに関して、とても有利な寸法であることが判明した。それというのも、この寸法によって、ビームプロフィルの長軸ひいてはレーザラインの品質に対し極めて僅かな影響しか伴わずに、プロセスウィンドウの関連する拡大が可能になるからである。
【0022】
さらなる実施形態において、光学装置は、少なくとも１つのレンズを有し、このレンズは、第１のビームプロフィルおよび第２のビームプロフィルの短軸に関して、優勢な光学的屈折力を有し、このレンズは、短軸に関して所定の実効直径を有し、さらに第１の照射ビームおよび／または第２の照射ビームは、実効直径の５０％を超えて、好ましくは７０％を超えて、さらに好ましくは９０％を超えて、このレンズを照射する。
【0023】
この実施形態の場合、少なくとも１つのレンズは、公知の装置において一般的であるよりも広い面積で照射される。換言すれば、少なくとも１つのレンズはその周縁領域に至るまで照射される。フォーカシングすべきレーザビームによる少なくとも１つのレンズの大面積の照射は、一方では、少なくとも１つのレンズが局所的にそれほど強く加熱されないという結果をもたらす。よって、この実施形態は有利には、装置の動作中の熱レンズの形成およびフォーカシングドリフトを低減するのに役立つ。しかもこの実施形態によれば、新たな装置のいっそうコンパクトな構造形態が可能になる。なぜならば、コースティクスのオフセットを有利には、被写界深度のサイズにすることができ、いっそう浅い被写界深度の場合には、これを相応にいっそう小さく選択することができるからである。この場合には、光学装置の結像スケールゆえにたとえば、第２のビーム変換器に対し相対的な第１のビーム変換器の上述のオフセットも小さく選択することができる。この実施形態は、ＳＬＡ用途のために、もっと一般的には、ビームプロフィルが短軸においてトップハット特性を有する用途のために、特に有利である。
【0024】
さらなる実施形態において、第１のビーム路は第１の中間像を生成し、第２のビーム路は第２の中間像を生成し、第１の光軸と第２の光軸とが１つの共通のシステム軸を規定し、第１の中間像および第２の中間像は、この共通のシステム軸に沿って互いに相対的にずらされて配置されている。
【0025】
この実施形態も、ビームプロフィルが短軸においてトップハット特性を有する用途のために、特に有利である。コースティクスの相対的オフセットを、この場合に容易に、中間像のシフトによって達成することができる。プロセスウィンドウもしくは各ビーム路のプロセスウィンドウ内のウエスト位置によって、対物レンズ上流に位置する共役面が規定される。この共役面を、上流に配置された光学系の有利な実施形態によってシフトさせることができる。いくつかの好ましい実施例において、光学装置は、第２のビーム路に短軸テレスコープを含み、この短軸テレスコープは、第１のビーム路における対応する短軸テレスコープに比べて、共通のシステム軸に沿ってシフトされている。有利にはこのシフトを、新たな装置の取り付け時および調整時に実施することができ、このことによって安価な実装が可能になる。好ましくは、このシフトは、テレセントリック条件を維持しながら実装されている。この実施形態によって、第１のコースティクスおよび第２のコースティクスの分離した画像位置が生成される。
【0026】
さらなる実施形態において、光学装置は、第１のビーム路に第１のビーム変換器を、第２のビーム路に第２のビーム変換器を有し、第２のビーム変換器は、第１のビーム変換器に対し相対的に、第２の光軸を中心に回転させられている。
【0027】
好ましくは、この実施形態における光学装置は、複数のレンズを備えたコリメーション光学系を含み、このコリメーション光学系は、個々の未処理レーザビームが個々のビーム変換器に入射する前に個々の未処理レーザビームをコリメートする。有利には、第２のビーム路におけるレンズのうちの少なくとも１つは、第１のビーム路における対応するレンズに対し相対的に、第２の光軸に沿ってシフトされており、したがって平行なビーム路における個々の未処理レーザビームのコリメーションは互いに異なっている。この実施形態によれば、ビームコースティクスの相対的シフトが極めて効率的な手法で可能になる。
【0028】
さらなる実施形態において、光学装置は、第１のビーム路および第２のビーム路に明確な絞りを有することなく、第１のビームプロフィルおよび第２のビームプロフィルを作業面にフォーカシングする。
【0029】
この実施形態は、ＬＬＯ用途に特に有利である。この実施形態によれば、たとえばスリット絞りのような明確な絞りを省略することによって、レーザエネルギーを僅かな損失で効率的に作業面に伝達することが可能になる。
【0030】
さらなる実施形態において、光学装置は、第１のビームプロフィルおよび第２のビームプロフィルを、個々の長軸および個々の短軸において重ね合わせる。
【0031】
この実施形態の場合、第１のビームプロフィルおよび第２のビームプロフィルは、長軸においても短軸においても広範囲にわたり、特に９０％を超えて、上下に重なり合っている。この実施形態によれば、レーザラインが長軸においても短軸においても重なり合って形成される。この実施形態は、長軸においては著しく均一な強度分布を生じさせ、短軸においては規定された強度分布を生じさせるのに有利に役立つ。
【0032】
自明のとおり、これまで挙げてきた特徴、および以下でこれから説明する特徴は、それぞれ記載された組み合わせに限らず、他の組み合わせでも、または単独の形態でも、本発明の範囲を逸脱することなく適用可能である。
【0033】
図面には本発明の実施例が示されており、それらについて以下の記載で詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1a】新たな装置の第１の実施例を簡略化して示す図である。
【図1b】新たな装置の第１の実施例を簡略化して示す図である。
【図2】第１の実施例およびさらなる実施例を説明するために、ビームプロフィルを簡略化して示す図である。
【図3】照射方向に互いにずらされて配置された、新たな装置のいくつかの実施例による２つのビームウエストを、簡略化して示す図である。
【図4a】新たな装置の第２の実施例を概略的に示す図である。
【図4b】新たな装置の第２の実施例を概略的に示す図である。
【図5】新たな装置のさらなる実施例を説明するために、著しく簡略化して示す図である。
【図6a】新たな装置のさらなる実施例を概略的に示す図である。
【図6b】新たな装置のさらなる実施例を概略的に示す図である。
【0035】
図１ａおよび図１ｂには、新たな装置の第１の実施例がその全体として参照符号１０で示されている。図１ａには、レーザライン１２を上から見た簡略化された図面で装置１０が示されており、レーザライン１２はここでは作業面１４の領域内に配置されている。装置１０は、第１のレーザ光源１６ａおよび第２のレーザ光源１６ｂを有し、これらの第１のレーザ光源１６ａおよび第２のレーザ光源１６ｂをたとえば、赤外領域またはＵＶ領域でレーザ光を生成するそれぞれ１つの固体レーザとすることができる。たとえばレーザ光源１６ａ，１６ｂは、１０３０ｎｍの範囲の波長を有するそれぞれ１つのＮｄ：ＹＡＧレーザを含むことができる。さらなる実施例において、レーザ光源１６ａ，１６ｂは、１５０ｎｍ～３５０ｎｍ、５００ｎｍ～５３０ｎｍまたは９００ｎｍ～１０７０ｎｍの波長を有するレーザ光をそれぞれ生成するダイオードレーザ、エキシマレーザまたは固体レーザを含むことができる。さらに新たな装置の実施例は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ダイオードレーザ、エキシマレーザまたは固体レーザを含むことができ、これらのレーザの未処理レーザビームは、たとえばスプリッタミラー（ここでは図示せず）によって２つの部分ビームに分割され、このようにして以下で説明する光学装置のための入力ビームとして２つの未処理レーザビームが供給される。よって、第１のレーザ光源１６ａおよび第２のレーザ光源１６ｂは、ここに示されていないいくつかの実施例において、ビームスプリッタ素子が後段に設けられたただ１つのレーザ光源を表すことができる。さらに新たな装置の実施例は、ただ２つのレーザ光源よりも多くのレーザ光源を含むことができる。
【0036】
図１ｂには、装置１０が側方から、すなわちレーザライン１２の短軸に向かって見た視点で、示されている。以下では、作業面１４に向かう照射方向１８が座標軸ｚで表される。レーザライン１２はｘ軸の方向に延在しており、ライン幅はｙ軸の方向で観察される。よって、以下ではｘ軸は長軸を表し、ｙ軸は作業面上に形成されたビームプロフィルの短軸を表す（図２）。
【0037】
レーザ光源１６ａ，１６ｂはここでは、それぞれ１つの未処理レーザビーム２０ａ，２０ｂを生成する。２つの未処理レーザビーム２０ａ，２０ｂは、光学装置２２によって照射ビーム２４ａ，２４ｂに変形される。光学装置２２はここでは、第１の未処理レーザビーム２０ａを（長軸に相応する）ｘ方向において拡張する第１のビーム変換器２６ａと、第２の未処理レーザビーム２０ｂをｘ方向に拡張する第２のビーム変換器２６ｂとを含む。好ましい実施例において、ビーム変換器２６ａ，２６ｂをそれぞれ、冒頭で挙げた国際公開第２０１８／０１９３７４号においてビーム変換器について詳しく説明されているように、実装することができる。よって、ビーム変換器２６ａ，２６ｂはそれぞれ、実質的に互いに平行に位置する前面と背面とを備えた、透明でモノリシックなプレート状部材を含むことができる。プレート状部材を、個々の未処理レーザビーム２０ａ，２０ｂに対し鋭角（図１ｂ参照）で配置することができる。前面および背面は、それぞれ１つの反射性コーティングを有することができ、これによって個々の未処理レーザビーム２０ａ，２０ｂは、個々の前面において斜めにプレート状部材内に入射させられ、プレート状部材内で複数回反射させられてから、プレート状部材の背面において扇状に拡開されて出射させられる。
【0038】
光学装置２２はさらに、複数の光学素子２８ａ，２８ｂ（ここではごく簡略的に示されている）を備えた長軸光学系２８を含み、これらの光学素子は、変形された第１の未処理レーザビーム２０ａおよび変形された第２の未処理レーザビーム２０ｂを、長軸においてさらに成形する。特にこの長軸光学系２８はそれぞれ、１つまたは複数のマイクロレンズアレイ（ここには図示せず）と、主として長軸において正の光学的屈折力を有する１つまたは複数のレンズとを、未処理レーザビーム２０ａ，２０ｂごとに含むことができる。特に、マイクロレンズアレイおよび１つまたは複数のレンズは、それぞれシリンドリカルレンズを含むことができ、これらのシリンドリカルレンズは、ｙ軸に沿って延在し、かつ光学的屈折力を主として長軸に関して有する。マイクロレンズアレイおよび１つまたは複数のレンズは特に、結像ホモジナイザを成すことができ、この結像ホモジナイザは、２つの照射ビーム２４ａ，２４ｂの各々で長軸において有利なトップハット強度プロフィルを得る目的で、未処理レーザビーム２０ａ，２０ｂをそれぞれ長軸において均質化する。
【0039】
光学装置２２はさらに、複数の光学素子３０ａ，３０ｂ（ここでは著しく簡略化されて示されている）を備えた短軸光学系３０を含み、これらの光学素子３０ａ，３０ｂは、変形された第１の未処理レーザビーム２０ａおよび変形された第２の未処理レーザビーム２０ｂを、短軸においてさらに成形する。図１ｂにおいて見て取れるように、第１のビーム変換器２６ａ、長軸光学系２８ａの光学素子および短軸光学系の光学素子３０ａは、第１の光軸３４ａを有する第１のビーム路３２ａを成している。第２のビーム変換器２６ｂ、長軸光学系２８ｂの光学素子および短軸光学系の光学素子３０ｂは、第２の光軸３４ｂを有する第１のビーム路３２ｂを成している。いくつかの好ましい実施例において、光軸３４ａ，３４ｂは互いに平行に延在している。ただし原則的には、光軸３４ａ，３４ｂが互いに斜めに延在している、ということも可能である。光軸３４ａ，３４ｂは、１つの共通のシステム軸３６を規定し、このシステム軸３６は、図示の実施例において、光軸３４ａ，３４ｂに対し平行に、かつこれらの光軸の間において中心に延在している。通常、共通のシステム軸３６は、照射方向１８と一致している。この軸は、装置１０および／または光学装置２２の対称軸を成すことができる。
【0040】
図１ａおよび図１ｂに示されているように、第１のビーム変換器２６ａおよび第２のビーム変換器２６ｂは、この実施例では（共通のシステム軸３６に関して）距離３８だけ互いにずらされて配置されている。その結果、ビーム路３２ａ，３２ｂによってそれぞれ１つのビームコースティクス３８ａ，３８ｂが生成され、その際にビームコースティクス３８ａ，３８ｂは、図１ｂに示されているように、（少なくとも短軸に関して）照射方向に互いにずらされている。ただしビームコースティクス３８ａ，３８ｂは、作業面の領域内で重なり合っており、したがって１つの共通のビームプロフィルを成している。
【0041】
図２には、かかるビームプロフィル４０が簡略化された図面で示されている。ビームプロフィル４０は、ｘ軸およびｙ軸に沿った個々のポジションに応じて、作業面１４上におけるレーザ放射の強度Ｉを表している。図示されているように、装置１０のビームプロフィル４０は、ｘ方向において所定の長軸ビーム幅を持つ長軸４２と、ｙ方向において所定の短軸ビーム幅を持つ短軸４４とを有する。短軸ビーム幅３３をたとえば、半値幅（ＦＷＨＭ）として規定することができ、または９０％の強度値同士の幅（Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ ９０％ Ｍａｘｉｍｕｍ，ＦＷ＠９０％）として規定することができる。ビームプロフィル４０を、ここに簡略化されて示されている短軸における台形状の強度推移とは異なり、ガウスプロフィルまたはトップハットプロフィルとすることができる（後者は実際には当然ながら有限の側縁勾配を有する）。理想的には、作業面の領域において照射ビーム２４ａ，２４ｂが合同に重なり合っているため、ビームプロフィル４０は、相応の照射ビーム２４ａ，２４ｂの２つのほぼ同一のビームプロフィル４０ａ，４０ｂから形成される。ワークピース（ここでは図示せず）を加工するために、ビームプロフィル４０は典型的には、ｘ方向と交差して作業面１４に対し相対的に、特にｙ方向で、移動させられる。
【0042】
図３には、互いにずらされた２つのビームコースティクス３８ａ，３８ｂの重なり合いが、簡略化された図面で示されている。２つのビームコースティクス３８ａ，３８ｂの各々は、ビームウエスト４２ａもしくは４２ｂを含み、これらのところで個々の照射ビーム２４ａ，２４ｂは、それぞれ最小ビーム直径を有する。しかも、互いにずらされた２つのビームコースティクス３８ａ，３８ｂの各々は、たとえばレイリー長に基づき規定可能な被写界深度を有する。いくつかの実施例において、被写界深度は、照射方向１８に沿った短軸におけるビーム幅ＦＷＨＭまたはＦＷ＠９０％Ｍａｘｉｍｕｍのパーセンテージ偏差に関して規定されている。特に、個々の短軸ビーム幅が個々のビームウエスト４２ａ，４２ｂでの短軸ビーム幅に比べて１％だけ、または１％～１０％の間の他のパーセント値だけ広くなっている、短軸コースティクス３８ａ，３８ｂのポイント間の距離として、被写界深度を規定することができる。被写界深度によって、個々の照射ビーム２４ａ，２４ｂごとに、プロセスウィンドウ長４６ａ，４６ｂを有するそれぞれ１つのプロセスウィンドウが規定される。
【0043】
図３に示されているように、光学装置２２はいくつかの実施例において、第１のビームコースティクス３８ａおよび第２のビームコースティクス３８ｂを、ほぼ被写界深度４６ａ，４６ｂのオーダにある距離４８だけずらすように構成されている。照射方向１８にずらされたビームコースティクス３８ａ，３８ｂの重なり合いによって、装置１０は１つの拡大されたプロセスウィンドウ５０を有する。
【0044】
図１ｂには参照符号５２によって、好ましくは円筒形であるレンズ３０ａの実効直径が短軸に関して示されている。いくつかの好ましい実施例において、変形すべきレーザビームは、レンズ３０ａと、たとえばレンズ３０ｂなど光学装置２２の対応するさらなるレンズとを、周縁領域に至るまで、つまりたとえば実効直径５２の７０％またはそれどころか９０％を超えて照射する。その結果として、照射ビーム２４ａ，２４ｂの被写界深度が低減されることになり、このことは、ビーム変換器のオフセット３８を最小にするために有利である。たとえば距離３８を、いくつかの実施例において、約１００μｍのビームコースティクス３８ａ，３８ｂの距離４８を得るために、約２５０ｍｍ付近とすることができる。なぜならば距離４８は、オフセット３８と回折次数Ｍ２との積に相当するからである。回折次数は、ビームウエストのところで同じ直径を有する理想的なガウスビームの発散角と比べた実際のレーザビームの発散角を表す。
【0045】
図４ａおよび図４ｂには、ここでは参照符号１０’が付された新たな装置のさらなる実施例が示されている。なお、同じ参照符号はこれまでと同じ要素を表す。図４ａおよび図４ｂによる実施例の場合、ビームコースティクス３８ａ，３８ｂのオフセットは、第２のビーム路３２ｂに配置されている付加的な光学素子５４を用いて達成される。いくつかの実施例において付加的な光学素子５４を、図４ｂに示されているように、第２のビーム路３２ｂにおいてビーム変換器２６ｂの下流に配置することができる。他の実施例において付加的な光学素子５４を、第２のビーム路３２ｂにおいてビーム変換器２６ｂの上流に配置することができる。いくつかの好ましい実施例において、付加的な光学素子５４を、第１の付加的な光学素子５４ａと第２の付加的な光学素子５４ｂとを有するテレスコープ装置とすることができる。付加的な光学素子５４ａ，５４ｂを、特にレンズ素子またはミラー素子とすることができる。付加的な光学要素５４ゆえに、ビーム変換器２６ａ，２６ｂを、システム軸３６に関して「同じ高さに」、つまりは相対的オフセット３８なしで、配置することができる。図４ｂに示されているように、付加的な光学素子５４は、とりわけビームプロフィル４０の短軸に影響を及ぼす光学的屈折力を有する。
【0046】
図５には、新たな装置のさらなる実施例が、短軸に関してビーム路３２ｂの簡略化された図面で示されている。ここでは、長軸におけるビーム成形用の光学素子は、簡略化のために図示されていない。その他の点では、同じ参照符号はこれまでと同じ要素を表す。この実施例においてビーム路３２ｂは、レンズ素子５６，５８を備えた短軸テレスコープを含み、この短軸テレスコープは、ビーム路３２ｂに沿ってビーム変換器２６ｂの中間像６０を生成する。中間像６０は、さらなるレンズ素子６２を用いて作業面１４上に結像される。かかる実施例は、とりわけＳＬＡ用途において望まれているように、作業面１４の領域内のビームプロフィルが短軸においてトップハットプロフィルであるようにすべきである場合に、特に有利である。ビームコースティクス３８ｂのオフセットはここでは、図１ａおよび図１ｂに関して先に説明したように、ビーム変換器２６ｂのオフセットを介して達成することができ、かつ／または中間像６０のシフトによって達成することができ、このことを、レンズ素子５６，５８による短軸テレスコープの適切な調整および／または寸法設定によって行うことができる。
【0047】
図６ａおよび図６ｂには、新たな装置のさらなる実施例が示されている。同じ参照符号はこれまでと同じ要素を表す。図６ａおよび図６ｂによる実施例の場合には、図６ｂにおいて矢印６６で示唆されているように、第２のビーム路３２ｂにおけるビーム変換器２６ｂが、第１のビーム路３２ａにおけるビーム変換器２６ａに比べて、ｚ軸を中心に回転させられていることにより、ビームコースティクス３８ａ，３８ｂの相対的オフセットが達成される。ｚ軸を中心とした回転６６は、出射側のビームパケットの垂直方向のオフセットを結果として引き起こし、作業面１４における短軸ビームプロフィルの側縁勾配に影響を及ぼす。これに関する詳細は、独国特許発明第１０２０１８１１５１２６号明細書ならびに本出願人の同じ優先権の国際公開第２０１９／２４３０４２号に記載されており、これらはここで参照したことにより本明細書に組み込まれるものとする。しかもこの実施例の場合、装置は、個々のビーム変換器２６ａ，２６ｂの上流にそれぞれ１つのコリメーション光学系６８ａ，６８ｂを有する。個々のコリメーション光学系６８ａ，６８ｂは個々の未処理レーザビーム２０ａ，２０ｂを、それらが個々のビーム変換器２６ａ，２６ｂに入射する前にコリメートする。この実施例の１つの好ましい変形実施形態において、個々のコリメーション光学系６８ａ，６８ｂは、複数のレンズ７０ａ，７２ａもしくは７０ｂ，７２ｂを含む。有利には、第２のビーム路３２ｂにおけるレンズのうちの少なくとも１つ、たとえばレンズ７０ｂ、は、ｚ方向において対応するレンズ７０ａに対し相対的にシフトされており、したがって平行なビーム路３２ａ，３２ｂにおける個々の未処理レーザビーム２０ａ，２０ｂのコリメーションは互いに異なっている。レンズ７０ｂのシフトによるコリメーションの変形実施形態によって、ビーム変換器２６ｂの回転６６と共働して、コースティクス３８ｂの著しく有利なシフトがもたらされる。いくつかの実施例において、レンズ７０ａ，７２ａもしくは７０ｂ，７２ｂは、それぞれ１つのテレスコープ装置を成すことができる。変更されたコリメーションを、仮想的に個々のビーム変換器２６ｂの上流に位置させることもできる。
【図1a】
【図1b】
【図2】
【図3】
【図4a】
【図4b】
【図5】
【図6a】
【図6b】
【国際調査報告】