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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene, mit einer Laserlichtquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Laserrohstrahl zu erzeugen, und mit einer optischen Anordnung, die den Laserrohstrahl aufnimmt und entlang einer optischen Achse zu einem Beleuchtungsstrahl umformt, wobei der Beleuchtungsstrahl eine Strahlrichtung definiert, die die Arbeitsebene schneidet, wobei der Beleuchtungsstrahl im Bereich der Arbeitsebene ein Strahlprofil besitzt, das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweist, wobei die optische Anordnung relativ zu der Arbeitsebene entlang einer Bewegungsrichtung bewegbar ist, um ein Werkstück mit Hilfe des Beleuchtungsstrahls zu bearbeiten, und wobei das Strahlprofil über der Kurzachsstrahlbreite einen definierten Intensitätsverlauf aufweist, der eine in Bewegungsrichtung vorlaufende Flanke, eine in Bewegungsrichtung nachlaufende Flanke und ein zwischen der vorlaufenden Flanke und der nachlaufenden Flanke liegendes Plateau besitzt, wobei das Plateau im Bereich der vorlaufenden Flanke einen höheren Intensitätslevel aufweist als im Bereich der nachlaufenden Flanke. Die optische Anordnung ist derart justiert ist, dass das Plateau einen im Mittel kontinuierlich abfallenden Intensitätslevel erhält. Die optische Anordnung weist eine Vielzahl von optischen Elementen auf, die einen Strahlengang in Bezug auf die kurze Achse des Strahlprofils bilden, wobei ein optisches Element aus der Vielzahl der optischen Elemente eine Objektivlinse am Ende des Strahlengangs ist, und der Strahlengang die Objektivlinse außermittig ausleuchtet, wobei die Vielzahl der optischen Elemente eine Teleskoplinse in dem Strahlengang aufweist, wobei die Teleskoplinse in Bezug auf die optische Achse außermittig oder schräg angeordnet ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene, mit den Schritten
- - Bereitstellen einer Laserlichtquelle, die einen Laserrohstrahl erzeugt,
- - Bereitstellen einer optischen Anordnung, die den Laserrohstrahl aufnimmt und entlang einer optischen Achse zu einem Beleuchtungsstrahl umformt, der eine Strahlrichtung definiert, die die Arbeitsebene schneidet, wobei die optische Anordnung eine Vielzahl von optischen Elementen aufweist und relativ zu der Arbeitsebene entlang einer Bewegungsrichtung bewegbar ist, um ein Werkstück mit Hilfe des Beleuchtungsstrahls zu bearbeiten, und
- - Inbetriebnehmen der Laserlichtquelle,
wobei der Beleuchtungsstrahl im Bereich der Arbeitsebene ein Strahlprofil erhält, das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweist, wobei das Strahlprofil über der Kurzachsstrahlbreite einen definierten Intensitätsverlauf aufweist, der eine in Bewegungsrichtung vorlaufende Flanke, eine in Bewegungsrichtung nachlaufende Flanke und ein zwischen der vorlaufenden Flanke und der nachlaufenden Flanke liegendes Plateau erhält, und wobei das Plateau im Bereich der vorlaufenden Flanke einen höheren Intensitätslevel aufweist als im Bereich der nachlaufenden Flanke, wobei die optischen Elemente derart justiert werden, dass das Plateau einen im Mittel kontinuierlich abfallenden Intensitätslevel erhält, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung eine Vielzahl von optischen Elementen aufweist, die einen Strahlengang in Bezug auf die kurze Achse des Strahlprofils bilden, wobei ein optisches Element aus der Vielzahl der optischen Elemente eine Objektivlinse am Ende des Strahlengangs ist, und der Strahlengang die Objektivlinse außermittig ausleuchtet, wobei die Vielzahl der optischen Elemente eine Teleskoplinse in dem Strahlengang aufweist, wobei die Teleskoplinse in Bezug auf die optische Achse außermittig oder schräg angeordnet ist.
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Eine solche Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren sind aus
US 2014/0027417 A1 bekannt.
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Die bekannte Vorrichtung erzeugt eine linienförmige Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene, um ein Werkstück zu bearbeiten. Das Werkstück kann insbesondere amorphes Silizium auf einer Trägerplatte sein. Das amorphe Silizium wird mit Hilfe der Laserlinie zeilenweise aufgeschmolzen und durch Abkühlen zu polykristallinem Silizium umgewandelt. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als Solid State Laser Annealing (SLA) oder Excimer Laser Annealing (ELA) bezeichnet.
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Für eine solche Anwendung wird eine Laserlinie auf der Arbeitsebene benötigt, die in der einen Richtung möglichst lang ist, um eine möglichst breite Arbeitsfläche zu erfassen, und die im Vergleich dazu in der anderen Richtung sehr kurz ist, um eine für den jeweiligen Prozess benötigte Energiedichte bereitzustellen. Wünschenswert ist dementsprechend eine lange, dünne Laserlinie parallel zu der Arbeitsebene. Man bezeichnet die Richtung, in der die Laserlinie verläuft, üblicherweise als lange Achse und die Liniendicke als kurze Achse des sogenannten Strahlprofils. In der Regel soll die Laserlinie in beiden Achsen einen definierten Intensitätsverlauf aufweisen. Wünschenswert ist insbesondere, dass die Laserlinie in der langen Achse ein möglichst rechteckiges oder eventuell trapezförmiges Intensitätsprofil besitzt, wobei Letzteres vorteilhaft sein kann, wenn mehrere solcher Laserlinien zu einer längeren Gesamtlinie aneinandergesetzt werden sollen. In der kurzen Achse wird für SLA Anwendungen üblicherweise ein im Idealfall rechteckförmiges Intensitätsprofil (sogenanntes Top Hat Profil) gewünscht, das eine in Bewegungsrichtung vorlaufende Flanke, eine in Bewegungsrichtung nachlaufende Flanke und ein zwischen der vorlaufenden Flanke und der nachlaufenden Flanke liegendes, ebenes Plateau besitzt.
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US 2014/0027417 A1 beschreibt allerdings, dass ein modifiziertes, gewissermaßen zweistufiges Top Hat Profil für einen SLA bzw. ELA Prozess vorteilhaft sei, weil die Bildung des polykristallinen Siliziums bei der Relativbewegung der Laserlinie in mehreren aufeinander folgenden Schritten erfolge und sich die optimale Energiedichte zum Aufschmelzen des Materials im Verlauf der Bewegung verringere. Die Laserlinie wird bei ihrer Bewegung relativ zu dem Werkstück pulsweise erzeugt und jeder Abschnitt des Werkstücks wird während der Bewegung mit etwa 20 Laserpulsen beleuchtet. Durch die Laserpulse werde das Silizium mehrfach aufgeschmolzen und verändere seine Eigenschaften.
US 2014/0027417 A1 schlägt aus diesem Grund vor, das Strahlprofil der Laserlinie mit Hilfe von zwei Laserrohstrahlen zu erzeugen, die sich im Bereich der Arbeitsebene überlagern. Die optische Anordnung beinhaltet für jeden der beiden Laserrohstrahlen einen eigenen Strahlengang. Jeder der beiden Strahlengänge erzeugt ein weitgehend Top Hat förmiges Strahlprofil in der kurzen Achse. Die beiden Top Hat Strahlprofile sind in Richtung der kurzen Achse versetzt zueinander auf der Arbeitsebene platziert, so dass insgesamt ein Strahlprofil mit einer definierten Stufe resultiert, die zwei weitgehend ebene Plateauabschnitte trennt.
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Ein Nachteil dieser Lösung ist der Aufwand für die Bereitstellung von zwei Laserrohstrahlen und zwei parallelen Strahlengängen. Angesichts dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, die es auf alternative Weise ermöglichen, eine möglichst optimale Energiedichte bei der SLA-Bearbeitung eines Werkstücks bereitzustellen.
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US 2013/0244347 A1 zeigt eine Laser-Annealing-Vorrichtung zum Bestrahlen eines nicht-kristallinen Dünnfilms mit Laserlicht zur Modifizierung des nicht-kristallinen Dünnfilms. Diese beinhaltet eine Laservorrichtung zum Erzeugen und Emittieren des Laserlichts, ein Linienstrahloptiksystem zum Bilden eines Linienstrahls aus dem von der Laservorrichtung emittierten Laserlicht sowie einen Detektor zum Erfassen einer Intensitätsverteilung des Laserlichts, das als Linienstrahl gebildet wird. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine erste Steuervorrichtung zum Ausführen einer Steuerung zum Verteilen der Breite in Richtung der kurzen Achse des Linienstrahls.
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Die
US 2005/0134964 A1 offenbart ein optisches Laserstrahlsystem für eine LCD-Vorrichtung, welches eine Laserlichtquelle, einen variablen Abschwächer zum Steuern einer Intensität eines Laserlichts von der Laserlichtquelle umfasst. Weiterhin ist eine Teleskoplinse zum Sammeln des Laserlichts mit der gesteuerten Intensität von dem variablen Abschwächer in Längen- und Breitenrichtung in der Vorrichtung integriert. Ein Strahlhomogenisierer mit Filter wird zum Steuern eines Schnittprofils des Laserlichts vor der Teleskoplinse senkrecht zur Längenrichtung verwendet.
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Das Dokument
EP1133376B1 zeigt ebenfalls ein Lasersystem zur Erzeugung einer zweidimensionalen Laserausgabe, umfassend eine Laserquelle, die eine zweidimensionale Ausgabe mit einem ersten Intensitätsprofil über den zweidimensionalen Bereich erzeugt, ein Linsensystem zum Modifizieren des Intensitätsprofils eines einfallenden Lasereingangs und umfassend eine Vielzahl von Linsenelementen, die in einem vorbestimmten Linsenabstand angeordnet sind. Das Linsensystem ist dazu ausgebildet, das erste Intensitätsprofil zu modifizieren, um ein Intensitätsprofil mit einer im Wesentlichen konstanten Intensität über die Breite zu erzeugen. Ein optischer Filter weist transmissive Abschnitte und opake Abschnitte auf, wobei die transmissiven Abschnitte ein sich wiederholendes Muster mit einer Steigung definieren, die dem Linsenabstand entspricht, wobei das optische Filter den Eingang in das Linsensystem so modifiziert, dass der Ausgang des Linsensystems ein gewünschtes Intensitätsprofil am Ausgang des Lasersystems hervorruft.
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Ebenso bei der oben beschriebenen Vorrichtung und dem Verfahren wird der Beleuchtungsstrahl vorzugsweise pulsweise erzeugt, insbesondere indem die Laserlichtquelle den Laserrohstrahl pulsweise aussendet. Unabhängig davon fällt der Intensitätsverlauf des Strahlprofils in der kurzen Achse hier entgegen der Bewegungsrichtung weitgehend linear von einem höheren ersten Niveau im Bereich der vorlaufenden Flanke auf ein niedrigeres zweites Niveau im Bereich der nachlaufenden Flanke ab. Der Intensitätsverlauf der neuen Vorrichtung und des entsprechenden Verfahrens ähnelt daher einem Pultdach. Ein Pultdach ist bei Gebäuden eine Dachform mit nur einer geneigten Dachfläche. Dementsprechend besitzt das Strahlprofil einen pultdachförmigen Intensitätsverlauf in der kurzen Achse. Vorzugsweise ist das Plateau stufenfrei. Dabei ist den Fachleuten klar, dass der Intensitätsverlauf der Vorrichtung und des Verfahrens in der Realität nicht ideal eben ist, sondern kleine Wellen und Rippel in dem entgegen der Bewegungsrichtung geneigten Plateau aufweisen kann. Kleine Wellen und Rippel sind aufgrund von Beugungseffekten und Fertigungstoleranzen unvermeidlich. Die Wellen und Rippel sind jedoch klein im Vergleich zu der Höhe des Plateaus und können bei einer idealisierten Betrachtung außer Acht bleiben. In einigen Ausführungsbeispielen können die Wellen und Rippel kleiner als 10%, vorzugsweise kleiner als 5% bezogen auf den Intensitätslevel des Plateaus sein. Dementsprechend fällt das Plateau der neuen Vorrichtung und des Verfahrens im Mittel entgegen der Bewegungsrichtung kontinuierlich ab, insbesondere bei Betrachtung einer durch die Wellen und Rippel gelegten Regressionsgeraden.
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Die neue Vorrichtung und das Verfahren ermöglichen aufgrund des kontinuierlichen Abfalls eine homogenere Werkstückbearbeitung. Darüber hinaus ermöglichen sie prinzipiell eine einfachere und kostengünstigere Realisierung mit nur einem Laserrohstrahl. Infolgedessen können die neue Vorrichtung und das Verfahren mit älteren, bereits bestehenden Vorrichtungen realisiert werden, indem die optischen Elemente im Strahlengang für das Kurzachsprofil in der angegebenen Weise neu justiert werden. Der nachträgliche Einbau von zusätzlichen optischen Elementen ist denkbar, aber regelmäßig nicht erforderlich. Wie sich gezeigt hat, kann der pultdachförmige Intensitätsverlauf in vielen Fällen bereits durch eine geänderte Feinjustierung der optischen Elemente erreicht werden. Die oben genannte Aufgabe ist daher auf einfache und kostengünstige Weise gelöst.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die optische Anordnung dazu eingerichtet, das Plateau mit einem einzelnen Laserrohstrahl zu erzeugen. Dementsprechend wird das Plateau in bevorzugten Ausführungsbeispielen mit einem einzelnen Laserrohstrahl erzeugt.
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In dieser Ausgestaltung profitieren die neue Vorrichtung und das Verfahren von den bereits oben angedeuteten vorteilhaften Möglichkeiten. Eine homogene SLA Bearbeitung eines Werkstücks wird auf besonders kostengünstige Weise ermöglicht.
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Ferner weist die optische Anordnung eine Vielzahl von optischen Elementen auf, die einen Strahlengang in Bezug auf die kurze Achse des Strahlprofils bilden, wobei ein optisches Element aus der Vielzahl der optischen Elemente eine Objektivlinse am Ende des Strahlengangs ist, und wobei der Strahlengang die Objektivlinse außermittig ausleuchtet.
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In bevorzugten Ausführungsbeispielen fokussiert die Objektivlinse den Beleuchtungsstrahl auf die Arbeitsebene. Vorzugsweise besitzt die Objektivlinse eine überwiegende Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse des Strahlprofils und ist in Bezug auf die lange Achse des Strahlprofils funktionslos. Der Strahlengang der kurzen Achse platziert den umzuformenden Laserstrahl unsymmetrisch in Bezug auf die optische Achse des Kurzachs-Strahlengangs auf der Objektivlinse. Die unsymmetrische bzw. außermittige Beleuchtung hat zur Folge, dass sphärische Aberrationen der Objektivlinse den umzuformenden Laserstrahl auf der einen Seite der optischen Achse stärker beeinflussen als auf der anderen Seite. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einem schräg verlaufenden Plateau im Intensitätsverlauf des Kurzachs-Strahlprofils. Wie sich gezeigt hat, kann bereits eine gezielte Justierung der optischen Elemente im Kurzachs-Strahlengang vorteilhaft dazu beitragen, die Objektivlinse außermittig auszuleuchten, um so auf einfache und kostengünstige Weise das pultdachförmig geneigte Plateau im Intensitätsverlauf des Kurzachs-Strahlprofils zu implementieren.
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Weiterhin weist die Vielzahl der optischen Elemente eine Teleskoplinse in dem Strahlengang auf, wobei die Teleskoplinse in Bezug auf die optische Achse außermittig angeordnet ist.
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Dies ist eine sehr kostengünstige Möglichkeit, um das pultdachförmige Plateau zu erzeugen, da eine Teleskopanordnung im (Kurzachs-)Strahlengang der optischen Anordnung häufig ohnehin benötigt wird. Vorteilhaft besitzt die Teleskoplinse eine überwiegende Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse des Strahlprofils und ist in Bezug auf die lange Achse des Strahlprofils funktionslos. Die außermittig justierte Teleskoplinse kann auf einfache und kostengünstige dazu beitragen, den umzuformenden Laserstrahl außermittig auf der zuvor genannten Objektivlinse zu platzieren, um so das schräg abfallende Plateau zu bilden.
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Alternativ weist die Vielzahl der optischen Elemente eine Teleskoplinse in dem Strahlengang auf, wobei die Teleskoplinse in Bezug auf die optische Achse schräg angeordnet ist.
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Auch diese Ausgestaltung ist eine sehr kostengünstige Möglichkeit, um das pultdachförmige Plateau zu erzeugen, da eine Teleskopanordnung im (Kurzachs- )Strahlengang der optischen Anordnung häufig ohnehin benötigt wird. Vorteilhaft besitzt die Teleskoplinse eine überwiegende Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse des Strahlprofils und ist in Bezug auf die lange Achse des Strahlprofils funktionslos. Die schräg angeordnete Teleskoplinse kann in bevorzugten Ausführungsbeispielen durch eine Rotation der Teleskoplinse um die lange Achse bei der Justierung der optischen Anordnung realisiert werden. Auch dies stellt eine einfache und kostengünstige Möglichkeit dar, um den umzuformenden Laserstrahl außermittig auf der oben genannten Objektivlinse zu platzieren. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Teleskoplinse außermittig in Bezug auf die optische Achse des Kurzachs-Strahlengangs und zudem auch schräg in Bezug auf die optische Achse des Kurzachs-Strahlengangs bzw. rotiert um die lange Achse angeordnet sein. In diesen Ausführungsbeispielen kann die Neigung des Plateaus auf einfache und kostengünstige Weise optimiert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Vielzahl von optischen Elementen eine Vielzahl von Spiegeln auf, die den Strahlengang falten, wobei zumindest ein Spiegel aus der Vielzahl von Spiegeln dazu eingerichtet ist, die Objektivlinse ausmittig zu beleuchten.
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Die Faltung des Strahlengangs, insbesondere in Bezug auf die kurze Achse ermöglicht eine kompakte Bauform der neuen Vorrichtung. Durch eine neue Justierung von einem oder mehreren Spiegeln der Anordnung kann die Schrägstellung des Plateaus auf sehr einfache und kostengünstige Weise realisiert werden. Des Weiteren kann mit dieser Ausgestaltung eine hohe Strahlqualität erreicht werden, indem die Linsen der optischen Anordnung primär in Bezug auf hohe Strahlqualität justiert werden, während die Schrägstellung des Plateaus mit Hilfe von einem oder mehreren Faltungsspiegeln realisiert wird. Alternativ oder ergänzend kann eine Schrägstellung des Plateaus sowohl durch Justierung der Linsen, wie oben erläutert, als auch durch Justierung von einem oder mehreren Spiegeln realisiert werden, was eine flexible Optimierung der neuen Vorrichtung ermöglicht.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte und schematische Darstellung des Kurzachsstrahlengangs eines ersten Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
- 2 eine vereinfachte Darstellung einer Spiegelfaltung zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
- 3 eine vereinfachte Darstellung des Strahlprofils gemäß Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung,
- 4 den Intensitätsverlauf eines Kurzachs-Strahlprofils gemäß einem Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung und des neuen Verfahrens.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 erzeugt eine Laserlinie 12 im Bereich einer Arbeitsebene 14, um ein Werkstück 16 zu bearbeiten, das hier im Bereich der Arbeitsebene 14 platziert ist. Die Laserlinie 12 verläuft hier in Richtung einer x-Achse ( 2) und die Linienbreite wird hier in Richtung der y-Achse betrachtet. Dementsprechend bezeichnet die x-Achse im Folgenden die lange Achse und die y-Achse bezeichnet die kurze Achse des auf der Arbeitsebene 14 gebildeten Strahlprofils (2).
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In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Werkstück 16 eine Schicht amorphes Silizium beinhalten, die mit Hilfe der Laserlinie 12 aufgeschmolzen und zu polykristallinem Silizium umgewandelt wird. 1 zeigt die Vorrichtung 10 in einer vereinfachten und schematischen Darstellung des Kurzachsstrahlengangs 18, der die kurze Achse der Laserlinie formt. Dementsprechend ist die Laserlinie in der „Seitenansicht“ der 1 (entlang der x-Achse) nur als Punkt sichtbar. Zur Bearbeitung des Werkstücks 16 kann die Laserlinie 12 relativ zu dem Werkstück 16 in Richtung des Pfeils 20 bewegt werden.
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Die Vorrichtung 10 besitzt eine Laserlichtquelle 22, die beispielsweise ein Festkörperlaser sein kann, der Laserlicht im Infrarotbereich oder im UV-Bereich erzeugt. Beispielsweise kann die Laserlichtquelle 22 einen Nd:YAG Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von 1030 nm beinhalten. In weiteren Beispielen kann die Laserlichtquelle 22 Diodenlaser, Excimerlaser oder Festkörperlaser beinhalten, die jeweils Laserlicht mit Wellenlängen zwischen 150 nm und 360 nm, 500 nm und 530 nm oder 900 nm bis 1070 nm erzeugen.
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Die Laserlichtquelle 22 sendet einen Laserrohstrahl 24 aus, der beispielsweise über eine Glasfaser in eine optische Anordnung 26 eingekoppelt werden kann. Der Laserrohstrahl 24 wird mit der optischen Anordnung 26 zu einem Beleuchtungsstrahl 28 umgeformt, der eine Strahlrichtung 29 definiert. Die Strahlrichtung 29 schneidet die Arbeitsebene 14.
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Die optische Anordnung 26 beinhaltet einen Strahltransformator 30, der den Laserrohstrahl 24 in der x-Richtung (entsprechend der langen Achse) aufweitet. Der Strahltransformator 30 kann in einigen Ausführungsbeispielen realisiert sein, wie der Strahltransformator, der in
WO 2018/019374 A1 im Detail beschrieben ist. Dementsprechend ist die
WO 2018/019374 A1 hier in Bezug auf den Strahltransformator und weitere Details der optischen Anordnung, wie insbesondere die Langsachsstrahlformung, durch Bezugnahme aufgenommen.
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Entsprechend
WO 2018/019374 A1 kann der Strahltransformator 30 ein transparentes, monolithisches, plattenförmiges Element mit einer Vorderseite und einer Rückseite beinhalten, die im Wesentlichen parallel zueinanderstehen. Das plattenförmige Element kann unter einem spitzen Winkel zu dem Laserrohstrahl 24 angeordnet sein. Die Vorderseite und die Rückseite können jeweils eine reflektierende Beschichtung aufweisen, so dass der Laserrohstrahl 24, der an der Vorderseite schräg in das plattenförmige Element eingekoppelt wird, mehrfache Reflexionen in dem plattenförmigen Element erfährt, bevor er aufgefächert an der Rückseite des plattenförmigen Elements austritt.
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Die optische Anordnung 26 beinhaltet eine hier nicht dargestellte Langachsoptik, die den umgeformten Laserrohstrahl 24 in der langen Achse formt. Insbesondere kann die Langachsoptik ein oder mehrere Mikrolinsenarrays (hier nicht dargestellt) sowie eine oder mehrere Linsen mit positiver optischer Brechkraft überwiegend in der langen Achse beinhalten. Die Mikrolinsenarrays und die eine oder mehreren Linsen können Zylinderlinsen beinhalten, die sich in y-Richtung erstrecken und insbesondere einen abbildenden Homogenisierer bilden, der den Laserrohstrahl 24 in der langen Achse homogenisiert, um ein vorteilhaftes Top Hat Intensitätsprofil in der langen Achse zu erhalten.
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Die optische Anordnung 26 beinhaltet ferner eine Vielzahl von optischen Elementen 32, 34, 36, 38, die den aufgeweiteten Laserrohstrahl in der kurzen Achse formen und auf die Arbeitsebene fokussieren. Die optischen Elemente 32, 34, 36, 38 sind entlang einer optischen Achse 40 angeordnet und beinhalten hier eine erste Linse 32 und eine zweite Linse 34, die zusammen eine Teleskopanordnung 42 bilden. Bezugsziffer 38 symbolisiert eine Spiegelanordnung mit einer Vielzahl von Spiegel 44, 46, 48 (siehe 2), die den Strahlengang 18 in der kurzen Achse falten. Das optische Element 38 ist hier eine Objektivlinse, die den Beleuchtungsstrahl 28 auf die Arbeitsebene 14 fokussiert.
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Die optische Anordnung 26 ist dazu eingerichtet, den Beleuchtungsstrahl 28 mit einem definierten Strahlprofil 50 im Bereich der Arbeitsebene 14 zu erzeugen. 3 zeigt ein solches Strahlprofil 50 in einer idealisierten Darstellung. Das Strahlprofil 50 beschreibt die Intensität I der Laserstrahlung auf der Arbeitsebene 14 in Abhängigkeit von den jeweiligen Positionen entlang der x-Achse und der y-Achse. Wie dargestellt, besitzt das Strahlprofil 50 eine lange Achse 52 mit einer Langachsstrahlbreite in x-Richtung und eine kurze Achse 54 mit einer Kurzachsstrahlbreite in y-Richtung. Die Kurzachsstrahlbreite 54 kann beispielsweise als Halbwertsbreite (FWHM) definiert sein oder als Breite zwischen den 90% Intensitätswerten (Full Width at 90% Maximum, FW@90%). Das Strahlprofil 50 besitzt hier in der kurzen Achse ein Top Hat Profil mit einer ersten Flanke 56, einer zweiten Flanke 58 und einem Plateau 60, das von der ersten Flanke 56 zur zweiten Flanke 58 kontinuierlich abfällt. Vorzugsweise fällt das Plateau 60 weitgehend linear von der ersten Flanke 56 zur zweiten Flanke 58 ab, wie dies vereinfacht in 3 dargestellt ist.
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Wie in 1 und 2 angedeutet ist, wird das Strahlprofil 50 zur Bearbeitung eines Werkstücks 16 parallel zur y-Achse relativ zu der Arbeitsebene 14 bewegt. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Werkstück 16 auf einem Tisch angeordnet, der in y-Richtung verfahren kann. Dementsprechend läuft die erste Flanke 56 in der Bewegungsrichtung 20 vor, die zweite Flanke 58 läuft in der Bewegungsrichtung 20 nach (2). Das Plateau 60 ist entgegen der Bewegungsrichtung geneigt und in einer Ansicht parallel zur x-Achse pultdachförmig. Der guten Ordnung halber sei darauf hingewiesen, dass das Kurzachsstrahlprofil mit den Flanken 56, 58 und dem Plateau 60 in 1 und 2 zur Illustration stark vergrößert dargestellt ist. In bevorzugten Ausführungsbeispielen liegt die Kurzachsstrahlbreite FWHM in einem Bereich zwischen 50µm und 150µm. Die Langachsstrahlbreite kann in einem Bereich zwischen 20mm und 1200mm liegen.
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4 zeigt einen beispielhaften Intensitätsverlauf 62 des Strahlprofils 50 in der kurzen Achse gemäß einem Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung 10. Wie man hier erkennen kann, besitzt ein reales Kurzachsstrahlprofil 62 diverse Ripple und Wellen, insbesondere im Bereich des Plateaus 60. Die Flanken 56, 58 besitzen eine endliche Flankensteilheit, wenngleich im Idealfall jeweils eine senkrechte Flanke wünschenswert wäre. Bezugsziffer 64 bezeichnet eine Ausgleichsgerade, die beispielsweise eine Regressionsgerade durch die Ripple und Wellen 66 sein kann. Anhand der Ausgleichsgeraden 64 kann man erkennen, dass das Plateau 60 des Strahlprofils 62 hier von der vorlaufenden Flanke 56 zur nachlaufenden Flanke 58 geneigt ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Neigung etwa 3%. Bevorzugt liegt die Neigung des Plateaus 60 zwischen 0,5% und 5%, jeweils einschließlich.
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In den bevorzugten Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens wird die Neigung des Plateaus 60 durch eine gezielte Justierung der optischen Elemente 32, 34, 36, 38 realisiert. Wie in 1 und 2 angedeutet ist, können insbesondere die Teleskoplinse 34 und/oder die Spiegel 44, 46,48 verwendet werden, um den Kurzachsstrahlengang 18 so einzustellen, dass die Objektivlinse 38 bezogen auf die optische Achse 40 außermittig beleuchtet wird. Insbesondere kann die Teleskoplinse 34 entlang der optischen Achse, also in z-Richtung, verschoben werden, wie mit dem Pfeil 68 angedeutet ist, und/oder sie kann um die lange Achse (parallel zur x-Achse) verschwenkt werden, wie mit dem Pfeil 70 angedeutet ist. Des Weiteren kann eine außermittige Beleuchtung der Objektivlinse 38 und/oder weiterer Linsen des Kurzachsstrahlengangs 18 in y-Richtung verschoben werden, wie dies mit Pfeilen 72 angedeutet ist. Schließlich können ein oder mehrere Spiegel 44, 46, 48 der Spiegelanordnung verschwenkt werden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 wurde die Teleskoplinse 32 um 100µm in y-Richtung verschoben. Außerdem wurde die Teleskoplinse 34 noch um -40mm in z-Richtung verschoben. Alternativ zu der Verschiebung der Teleskoplinse 32 in y-Richtung kann die Teleskoplinse 34 hier um einen Winkel 74 von 0,5° verschwenkt sein.