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TWI834736B - 雷射加工系統 - Google Patents

雷射加工系統 Download PDF

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TWI834736B
TWI834736B TW108135696A TW108135696A TWI834736B TW I834736 B TWI834736 B TW I834736B TW 108135696 A TW108135696 A TW 108135696A TW 108135696 A TW108135696 A TW 108135696A TW I834736 B TWI834736 B TW I834736B
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史文 艾伯特
托爾斯頓 萊契斯林
湯瑪斯 史密特
烏韋 華格納
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德商３Ｄ 麥可梅克公司
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Abstract

本發明提供一種用於在一加工平面(105)中產生具有具一短軸及垂直於其之一長軸之一線性光束剖面之一雷射光束的雷射加工系統(100)，其包括：一雷射光束源(102)，其用於產生一原始雷射光束；一光束擴展系統(120)，其配置於該雷射光束源下游用於接收該原始雷射光束且產生一擴展雷射光束；及亦一均質化系統，其配置於該光束擴展系統下游用於接收該擴展雷射光束且在該加工平面中產生具有一線性光束剖面之關於光強度分佈均質化的一雷射光束。該均質化系統具有用於沿該短軸均質化之一第一均質化配置及用於沿該長軸均質化之一第二均質化配置，該等均質化配置之各者具有用於將該雷射光束分裂成大量部分光束之光學元件(140-1、140-2)及用於使該等部分光束疊加於一疊加平面中之一聚光系統(150-1、150-2)。該第一均質化配置具有具至少一個第一鏡(150-1A、150-1B)之一第一聚光系統(150-1)，且該第二均質化配置具有具至少一個第二鏡(150-2A、150-2B)之一第二聚光系統(150-2)。

Description

雷射加工系統
本發明係關於一種根據請求項1之序言之用於產生具有一線性光束剖面之一雷射光束之雷射加工系統。
當使用此等雷射加工系統時，將一待加工工件配置於一加工平面之區域中且用雷射光束進行照射，使得在待加工工件之表面上產生一或多或少線性之「雷射點」。光束剖面之特徵可為一短光束剖面軸(在下文中簡稱為「短軸」或「短光束軸」)及垂直於其之一長光束剖面軸(在下文中簡稱為「長軸」或「長光束軸」)。
如今，可產生一所謂線光束之此類型之雷射加工系統尤其用於雷射退火及雷射剝離程序中。通常，在此等應用中，光束輪廓之寬度(沿短軸量測)遠低於1 mm (例如，在約300 µm之範圍內)，而長度(沿長軸量測)可高達數百毫米(例如，在約300 mm之範圍內)。具有在UV範圍內(例如，在約193 nm、248 nm或308 nm下)之波長之準分子雷射通常用作雷射光束源。
在雷射退火之情況中，藉由工件本身之移動，或在一掃描器之輔助下藉由雷射光束在表面上方之移動來產生雷射光束與工件之間在垂直於長軸之方向上的一相對移動。兩個移動之一組合同樣是可能的。此程序例如用於平板顯示器之生產中。在此情況中，非晶矽層藉由照射加熱及熔融，且在其再次固化時轉化為多晶Si層。因此，Si層中之電荷載流子之遷移率增加，此最終導致更有效率的且節能的顯示器。具有線性光束輪廓之雷射退火之其他應用係活化一半導體層之摻雜劑或產生SiC晶圓上之半導體組件中之接觸(歐姆接觸形成，OCF)。在此情況中，SiC晶圓與定位於其上之金屬層之間的邊界層熔融，使得當其冷卻時在此區域中產生金屬矽化物。
在雷射剝離程序之情況中，以類似於雷射退火情況之一方式，產生工件與雷射光束之間之一相對移動。在此情況中，待加工工件由接合至一生長基板之層堆疊(例如，一藍寶石基板上之GaN層系統)組成。藉由照射層系統與基板之間的邊界層，使層與基板脫離且接著可將其等轉移至另一(可能同樣經塗佈)基板。
針對精密加工，加工平面中之光束剖面之強度分佈應儘可能均勻或均質。通常，目標為所謂的平頂光束輪廓。
一般類型之一雷射加工系統包括在操作期間產生或發射一原始(尚未處理)雷射光束之一雷射光束源，且亦包括用於光束整形及均質化之下游裝置。此等裝置較佳地包含配置於雷射光束源下游用於接收原始雷射光束且產生一擴展雷射光束的一光束擴展系統。一均質化系統配置於光束擴展系統下游，該均質化系統接收擴展雷射光束且在加工平面中自該擴展雷射光束產生具有一線性光束剖面之關於光強度分佈均質化的一雷射光束。
自先前技術已知藉由微透鏡陣列或交叉柱面透鏡陣列對一雷射光束進行光束整形之原理。在此情況中使用之成像均質化系統由依次配置之兩個透鏡陣列及一下游聚光透鏡組成。第一透鏡陣列將入射光束劃分為部分光束，第二透鏡陣列結合下游聚光透鏡一起表現如同個別物鏡之一配置，其使部分光束之影像疊加於一下游疊加平面(具體而言，聚光透鏡之焦平面)中。藉由使在各情況中本身非均質之個別部分光束疊加，可在其處形成一均質平頂光束輪廓。
一般類型之雷射加工系統經組態以各別地針對長軸及短軸均質化雷射光束。此使可在彼此垂直之方向上產生不同光束尺寸。出於此目的，均質化系統具有用於沿短軸均質化之一第一均質化配置及用於沿長軸均質化之一第二均質化配置。該等均質化配置之各者具有用於將雷射光束分裂成大量部分光束之光學元件及用於使部分光束疊加於一疊加平面中之一聚光系統。疊加平面可為加工平面或與其光學共軛之一平面。
DE 10 2007 044 298 B3描述一種用於產生具有具一長光束剖面軸及一短光束剖面軸之一線性光束剖面之一雷射光束的配置，在此情況中，各別地關於長軸及短軸均質化源自一雷射光束源之雷射光束。
本發明解決提供開頭所描述之類型之可長時間穩定地操作之一雷射加工系統之問題，本發明具有一緊湊構造且在利用時為所使用之雷射光源之能量加工提供大的效率。
為了解決此問題，本發明提供一種具有技術方案1之特徵之雷射加工系統。在附屬技術方案中指定有利發展。所有技術方案之措詞以引用方式形成本描述之內容。
根據所主張發明，提供一種雷射加工系統，其中第一均質化配置(用於短軸)具有具至少一個第一鏡之一第一聚光系統，且第二均質化配置(用於長軸)具有具至少一個第二鏡之一第二聚光系統。因此，分別在該等聚光系統中使用一或多個反射光學組件。
發明人已認知，若習知雷射加工系統僅由折射組件(特定言之，因此透鏡及透鏡陣列)構造而成，則其等可具有某些缺點。為了產生一線性光束，通常使用柱面透鏡陣列及柱面透鏡。下游聚光透鏡必須足夠大以使其孔徑不遮擋部分光束。
因此，通常，聚光透鏡之自由孔徑應至少與透鏡陣列之自由孔徑一樣大。為了能夠產生具有所需曲率半徑及自由孔徑之透鏡，其等一般必須具有一相對較大厚度。此具有增加光學損耗之缺點。歸因於表面處之非期望反射及材料內之吸收，各光學元件可能引起百分之幾之一雷射能量損耗。因此，當使用由折射組件構造而成之一完全均質化配置時，可在整體光束路徑上發生約30%或更多之光學損耗。例如，藉由產生色心，UV輻射可在操作期間額外地引起透鏡材料之一降解。此可能導致縮短之壽命。
當使用本發明時，可減少或避免所述缺點。可增加光學單元之壽命，減少光學損耗且限制所需之光學元件之數目。減少之光學損耗容許在工件上以相同雷射輸出及相同光束輪廓達成一更高能量密度。因此，可達成一更好效率。替代地，可以相同能量密度產生一更長光束輪廓。
一聚光系統可在一或多個透鏡及一或多個鏡之一組合之輔助下構造而成，使得其係一折反射光學系統。然而，較佳地規定，第一聚光系統及第二聚光系統分別形成為一反射光學系統，即，僅由鏡構造而成且不含有任何透鏡。因此，可尤其有效地避免與透鏡相關聯之缺點。此外，尤其有利地使用既有安裝空間通常為可能的。
較佳地，第一聚光系統及/或第二聚光系統具有恰好兩個鏡。特定言之，組合一凹面鏡及一凸面鏡。此容許實現具有受潛在損耗影響較少之光學功能表面(鏡表面)之一尤其緊湊構造。
根據一發展，用於將雷射光束分裂成大量部分光束之光學元件針對軸之各者具有一第一柱面透鏡陣列及一下游第二柱面透鏡陣列，使得第一均質化配置及第二均質化配置分別形成一(折反射)成像均質化系統。此尤其容許在疊加平面中達成光束剖面上之一尤其良好均質性。替代地，在一些情況中，可規定用於將雷射光束分裂成大量部分光束之光學元件針對軸之各者具有僅一單個柱面透鏡陣列，該柱面透鏡陣列與用於相同軸之下游聚光系統一起形成一非成像均質化系統。
對於許多應用，可有利地達成光束剖面沿長軸與沿短軸之長度之間之一相對較大縱橫比。在許多實施例之情況中，縱橫比在100或更大之範圍內。縱橫比可例如在100至1000之範圍內，可能亦高於或低於該範圍。
在一些實施例之情況中，藉由經設計以在加工平面前方之一距離處產生一(真實)中間影像之第一聚光系統，且藉由用於將中間影像投影至成像平面中之配置於中間影像與加工平面之間的一(光學)成像系統來促成尤其高縱橫比。此構造考量用於長軸及短軸之聚光系統可具有大不相同之焦距，特別是在目標為高縱橫比之情況下。在針對短軸之中間成像之輔助下，可以一有利方式達成此等目標。
在大多數實施例之情況中，成像系統經設計用於在沒有任何大小改變之情況下將第一軸上之中間影像投影至加工平面中(短軸上之1:1成像)。替代地，放大或縮小短軸上之中間成像亦為可能的。長軸較佳地不受成像系統影響。
成像系統可在三個或更多個鏡之輔助下構造而成。然而，根據一發展，成像系統具有僅兩個鏡，具體而言一第一鏡及恰好一個第二鏡。因此，獲得具有很少組件之一簡單構造。第一鏡可具有一凹面鏡表面，第二鏡可具有一凸面鏡表面。
成像系統具有一對稱構造可為尤其有利的。此可達成以下效應：由於對稱構造，可在成像系統內補償使用曲面鏡時可能發生之典型像差，(舉例而言)諸如彗形像差(coma)。因此，中間影像至加工平面上之投影可在很大程度上沒有幾何像差。
若第一鏡具有對應於第一鏡與第二鏡之間之距離且亦為第二鏡之焦距之兩倍的一焦距(即，成像系統與中間影像之間之一距離亦對應於第一鏡之焦距之兩倍)，則可獲得一尤其有利設計。
在一例示性實施例之情況中，成像系統以使得雷射光束自第一鏡之一第一區域反射至第二鏡且自第二鏡反射至第一鏡之一第二區域的一方式配置及構造。因此，雙重地使用第一鏡。第一區域及第二區域可彼此部分重疊，或位於距彼此之一距離處而不相互重疊。
根據一發展，將至少一個平面偏轉鏡(即，沒有折射能力之至少一個平面鏡)配置於雷射光束與加工平面之間之光束路徑中。藉由使用至少一個平面偏轉鏡，對安裝空間之改良使用及一緊湊構造係可能的。例如在一調整過程中，某些光束性質可能因偏轉鏡之傾斜度之一變動而最佳化。
在一些實施例之情況中，一偏轉鏡光學地配置於具有折射能力之最後一個光學元件與加工平面之間。因此，偏轉鏡係直接在加工平面前方之光束路徑中之最後一個改變光束路徑之光學元件。此偏轉鏡可固定地安裝，使得除調整之可能性以外不存在移動性。在其他實施例之情況中，此偏轉鏡可移動地安裝且可以一受控方式樞轉。接著，偏轉鏡可用作一掃描鏡，且因此具有雙重功能。
替代地或另外，一偏轉鏡亦可提供於光束路徑內之另一位置處。在針對短軸產生藉由一成像系統投影至加工平面中之一中間影像之實施例之情況中，一偏轉鏡可配置於此成像系統前方。特定言之，偏轉鏡可配置於中間影像與成像系統之間。因此，針對成像系統之配置及對準獲得更大自由度。
在所有實施例之情況中，應容許雷射光束儘可能不受阻礙地且不變地行進通過之一較佳可更換防護玻璃可直接提供於加工平面前方。該防護玻璃(其例如可呈一平板之形式)可防止在雷射加工期間產生之顆粒或蒸氣沈積於鏡上。代替性地，所有事物落於防護玻璃上，可根據需要隨時簡單地更換該防護玻璃。
可期望能夠與雷射加工系統一起視情況針對不同應用產生在縱向方向(長軸)及/或橫向方向(短軸)上具有不同尺寸之線性光束或「線光束」。在一些實施例之情況中，藉由用於在第一均質化配置及/或第二均質化配置之情況中產生大量部分光束之在結構上可更換(較佳地組合成可整體更換之一子總成)的光學元件，使得更容易產生具有不同尺寸之一線性光束。因此，藉由更換此等光學元件，可相對容易地改變為不同線性尺寸及/或不同縱橫比。不必針對此更換用於短軸之聚光系統及成像系統。
較佳地，雷射加工系統經設計使得線性光束或加工平面中之光束剖面之特徵在於其輪廓在長軸及短軸兩者上皆具有一平頂形式，其中在光束輪廓之較大部分上具有一幾乎恆定之能量密度，且在外部區域中具有能量密度之幾乎垂直下降，沿短軸之一均質性偏差較佳地為4%或更小，及/或沿長軸之一均質性偏差較佳地為1.5%或更小。因此，尤其精確之加工程序係可能的。
下文描述用於在一加工平面中產生具有具一短軸(短光束剖面軸)及垂直於其之一長軸(長光束剖面軸)之一線性光束剖面之一雷射光束的雷射加工系統之例示性實施例。此類型之雷射加工系統可例如用於雷射退火及雷射剝離程序中，但亦可用於其他應用中。關於系統座標系KS，長軸平行於x方向，短軸平行於y方向，且z軸垂直於加工平面105。加工平面係其中光束輪廓具有所要性質(特定言之，縱橫比及能量分佈)之該平面。一待加工工件一般經配置使得待加工工件表面位於加工平面中或在其附近。
當術語「之前」、「之後」、「上游」、「下游」、「之間」等用於描述光學元件相對於彼此之相對配置時，意謂沿光束傳播之方向之相對配置。相對幾何配置(即，安裝空間中之配置)可能與此不同。
圖1示意性地展示一雷射加工系統100之構造及一雷射光束LS自雷射光束源102行進至加工平面105之光束路徑，一待加工工件110之表面112配置於加工平面105中。
雷射光束藉由雷射光束源102作為一原始(即，尚未處理)雷射光束(亦被稱為一原始光束)發射，且隨後藉由呈一望遠鏡之形式之一下游光束擴展系統120擴展及準直。隨後，擴展雷射光束藉由一成像均質器均質化且作為一影像投影至或藉由光學系統聚焦至工件110之表面112之區域中。
在此實例中，雷射光束源102係具有308 nm之一波長及約1000 mJ之一脈衝能量之一準分子雷射。經發射之雷射光束(原始光束)具有具在30 mm至40 mm之範圍內之一長度及10 mm至15 mm之一寬度的一近似矩形輪廓。代替308 nm，波長亦可為例如248 nm或193 nm或某個其他UV波長。
圖2展示原始光束之一示意圖示。原始光束具有一近似矩形輪廓、沿短軸具有一高斯能量分佈之一剖面。相比之下，沿長軸之能量分佈已展現較大均質性。
原始光束首先藉由望遠鏡擴展。光束擴展系統120或望遠鏡120由兩個平凸柱面透鏡120-1、120-2組成，該等平凸柱面透鏡之間之距離對應於兩個焦距之總和(克卜勒望遠鏡(Kepler telescope))。柱面透鏡經定向使得雷射光束沿長軸(平行於x方向)擴展，而未垂直於其沿短光束軸進行擴展。進行擴展係以良好地照明下游均質器陣列—以獲得良好光束均質化，雷射光束應儘可能多地覆蓋均質器陣列之微透鏡。在一應用之此實例中，雷射光束之寬度從在第一望遠鏡透鏡120-1之前之約50 mm增加至在望遠鏡之後之區域中之大約90 mm。
替代地，光束擴展系統亦可例如具有具一平凸側及一平凹側之一伽利略望遠鏡(Galileo telescope)。例如，出於更好地利用安裝空間之原因，伽利略望遠鏡可能為有利的。
實際光束整形係藉由一下游均質化系統進行，該均質化系統用於接收擴展雷射光束，且用於在加工平面105中產生關於光強度分佈均質化且具有一線性光束剖面的一雷射光束。均質化系統在光束擴展系統下游包括柱面透鏡陣列及亦聚光系統之一配置，該等柱面透鏡陣列及聚光系統針對軸之各者形成一各別成像均質器或一各別均質化配置。在此情況中，針對兩個軸(短軸及長軸)各別地進行均質化，或運用透鏡陣列及下游聚光/聚焦光學單元之一分別專用配置彼此獨立地進行均質化。
此亦可藉由聲稱均質化系統具有用於沿短軸均質化之一第一均質化配置及用於沿長軸均質化之一第二均質化配置，或均質化系統經組態用於針對長軸及短軸各別地均質化雷射光束而描述。兩個均質化配置之各者具有用於將雷射光束分裂成大量部分光束之光學元件(大體上藉由元件符號140x表示)，及用於使部分光束疊加於一疊加平面中之一聚光系統(大體上藉由元件符號150x表示)。當各別系統用於兩個軸時，可運用相對簡單之光學構造達成相對較高之縱橫比。
在各情況中，疊加分別發生在各自聚光系統之焦平面中。僅針對長軸，此焦平面對應於加工平面。針對短軸，聚光系統之焦平面之下游亦接著一成像(藉助於成像系統160-1)，該成像將焦平面之一影像投影至加工平面上。
例示性實施例之構造及功能亦可如下描述。
在光束擴展系統120之望遠鏡之後，兩個柱面透鏡陣列140-1A、140-1B (其等用作用於將雷射光束分裂成用於短軸之大量部分光束之光學元件140-1)放置於光束路徑中。此等柱面透鏡陣列可由個別地產生且隨後抵靠彼此放置之柱面透鏡組成或否則自一單個基板產生(此可例如藉由加工及/或藉由一蝕刻程序來進行)。在一應用之此實例中，使用柱面透鏡之一球面輪廓。由於雷射之原始光束水平地定向(或在x-y平面中) (即，長光束軸係水平的)，故此等陣列之柱面透鏡同樣隨其等柱面軸水平地定向，具體而言使得個別透鏡之較長側平行於光束輪廓之長邊。為了達成輸出光束(落於加工平面上)之良好均質性，應藉由入射雷射光束儘可能多地照明柱面透鏡。此處，一個別柱面透鏡之寬度係大約1.3 mm；在光束路徑之此點處，沿短光束軸之光束大小係大約24 mm。兩個陣列由具有240 mm之一曲率半徑之平凸柱面透鏡組成。
柱面透鏡陣列140-1A、140-1B及稍後描述之一相關聯反射第一聚光系統150-1具有在聚光系統150-1之後大約400 mm之一距離處產生沿短軸均質化之一中間影像ZB的效應。
在用於短軸之柱面透鏡陣列140-1A、140-1B之後，光束路徑中存在兩個柱面透鏡陣列140-2A及140-2B，其等用作用於將雷射光束分裂成用於長軸之大量部分光束之光學元件140-2。在此情況中，此等柱面透鏡垂直於用於短軸之柱面透鏡140-1A、140-1B定向；其等具有大約1.3 mm至1.5 mm之一寬度。為了減少歸因於柱面透鏡之成像誤差且改良特別是長軸上之均質性，陣列140-2B之透鏡具有具在-4至0之範圍內之一圓錐常數之一非球面輪廓。在其他變體之情況中，提供球面輪廓。
取決於線性光束之所要長度(沿長軸)，此處可設想曲率半徑之各種組合。第一柱面透鏡陣列及第二柱面透鏡陣列之透鏡之曲率半徑可分別為例如20 mm及5 mm以產生長度大約為300 mm至370 mm之一光束，或可分別為12 mm及20 mm以產生具有約70 mm至110 mm之一長度之一線性光束。其他曲率半徑或組合以及其他線性光束長度亦為可能的。
在此情況中，用於長軸之第一柱面透鏡陣列140-2A直接放置在用於短軸之第二柱面透鏡陣列140-1B後方。
柱面透鏡陣列具有針對軸之各者各別地將雷射光束劃分為大量部分光束之效應。
在一應用之此實例中，再次使此等部分光束疊加之聚光系統各自由兩個柱面鏡組成，即，反射光學系統。在沿光束傳播方向圍繞各自聚光系統之焦平面直至幾百微米之一範圍內，當沿對應軸觀看時，光束輪廓展現一平頂特性，即，在光束輪廓之較大部分上具有一幾乎恆定之能量密度且在外部區域中具有陡峭側面之一光束剖面。接著，在距焦點之一更大距離處，部分光束再次發散。圖3示意性地展示呈一平頂輪廓之強度分佈。
在此情況中，平頂輪廓之大小取決於聚光光學單元或聚光系統之焦距fc 、透鏡陣列之焦距f1 及f2 、陣列之間之距離d及節距p，即，陣列之個別透鏡之寬度：
例示性實施例之一個特定特徵在於，代替使用來自先前技術之透鏡之折射聚光系統，此處使用具有曲面鏡之配置作為聚光系統。第一均質化配置(用於短軸)具有具第一鏡150-1A及150-1B之一第一聚光系統150-1，且第二均質化配置(用於長軸)具有具第二鏡150-2A及150-2B之一第二聚光系統150-2。
此措施保證系統之一更大總體傳輸，此係因為僅在鏡基板之高度反射塗層(HR塗層)處發生損耗，而非在進入表面及射出表面兩者處有透鏡損耗及歸因於透鏡材料中之吸收而有進一步損耗之情況。此外，在透射元件之情況中對基板材料之要求高於對鏡基板之要求。因此，與透射元件相比，反射光學單元之成本更低。藉由避免光學單元材料中之吸收，其等壽命亦增加。總而言之，每個經加工工件之成本因此顯著降低。
由於目標工件上之長軸及短軸上之所要光束大小的較大差異(例如在100至1000之範圍內之縱橫比)，針對兩個軸之各者使用具有一不同焦距之一專用聚光光學單元或一專用聚光系統被認為是有利的。在所描述之實例中，(即，用於短軸之聚光光學單元之)第一聚光系統150-1之焦距係約150 mm，而第二聚光系統150-2 (用於長軸)之焦距係約2430 mm。
針對短軸及長軸兩者，相關聯聚光系統在各情況中由兩個柱面曲面鏡組成，具體而言一凹面鏡及一凸面鏡。如已在透鏡陣列之情況中，用於長軸之聚光透鏡之曲率方向垂直於用於短軸之聚光透鏡之曲率方向定向。描述鏡之各自曲率中心點之軸針對短軸之聚光透鏡水平地(平行於x方向)定向，針對長軸垂直地定向。
用於長光束軸之聚光光學單元(即，第二聚光系統150-2)由在光束路徑中配置於光學元件140-1、140-2之柱面陣列140x之後的凹面鏡150-2A及凸面鏡150-2B組成。隨後，雷射光束撞擊於凸面鏡150-1A及凹面鏡150-1B上，凸面鏡150-1A及凹面鏡150-1B在一起形成用於短光束軸之聚光光學單元或第一聚光系統150-1。
由於聚光系統之焦距之較大差異，因此在光束路徑之極其不同位置處產生由兩個均質化配置產生的均質區域—第一均質化配置(用於短軸)已在第二聚光鏡150-1B之後之一小距離處產生一中間影像ZB，而用於長軸之均質化配置在一遠更大距離處、具體而言在加工平面105中產生均質區域。在所描述之實例中，短軸與長軸之焦平面之間的距離係約1440 mm。
由於兩個均質區域必須在工件平面或加工平面105中彼此疊置，故藉由一成像系統160-1將短軸之中間影像ZB投影至加工平面中。在此情況中，長軸之聚光光學單元之焦距經選取使得用於兩個光束軸之聚光光學單元之兩個主平面之距離之總和、用於短光束軸之聚光光學單元之焦距及成像系統160-1之傳輸長度(物距及像距之總和)相對應。
用於短軸之成像光學單元或成像系統160-1由兩個鏡160-1A及160-1B組成，因此具有恰好兩個鏡。該配置經設置使得雷射光束在第一鏡160-1A處反射兩次。此第一鏡係一較大柱面凹面鏡，其將雷射光束引導至第二較小凸面鏡160-1B上，該光束自第二較小凸面鏡160-1B再次反射回至第一鏡160-1A上。在該實例之情況中，針對此使用第一鏡160-1A之凹面鏡表面之不同非重疊區域。由於雷射光束兩次撞擊於第一鏡160-1A上，因此成像系統160-1之鏡配置可被視為三透鏡透射物鏡之等效物。用於短軸之成像系統160-1之成像比例係1:1，即，短軸之中間影像ZB透射至工件上(至加工平面105中)而沒有任何大小變化。成像系統160-1未改變長軸之光束路徑。第一鏡160-1A之焦距對應於兩個鏡之間之距離且係第二鏡160-1B之焦距之兩倍。物鏡或成像系統距中間影像ZB之距離對應於第一鏡160-1A之焦距之兩倍。由於對稱構造，因此由第一鏡160-1A處之第一反射引起之許多像差(特定言之彗形像差)由第二鏡160-1B上之撞擊及第一鏡160-1A處之第二反射補償。
雷射光束藉由成像系統160-1經由一平面偏轉鏡170引導至工件上。運用聚光系統之鏡之一適合配置，光束亦可直接撞擊於工件上，而無需使用一偏轉鏡。偏轉鏡170固定地安裝。偏轉鏡亦可由一可移動偏轉鏡取代，該可移動偏轉鏡結合一(選用、所展示) f-θ物鏡一起例如藉由一振鏡掃描器之鏡或多邊形鏡使雷射光束在工件上移動。
在圖4至圖9中基於光束輪廓SP1至SP6展示個別組件對沿光束傳播之連續位置(在圖1中藉由SP1至SP6表示)處之光束剖面之強度分佈的光學效應。光束輪廓SP1表示在望遠鏡之後(即，在光束擴展系統120之後)之光束輪廓。擴展光束SP1藉由用於短軸之陣列140-1A、140-1B分裂成平行線(光束輪廓SP2)；隨後，該等線藉由用於長軸之陣列140-2A、140-2B垂直地分裂成矩形部分光束(光束輪廓SP3)。由於聚光系統150-1、150-2及成像系統160-1，部分光束再次疊加於一更長路徑上。光束輪廓SP4在用於長軸之聚光系統150-2之後；光束輪廓SP5在成像系統160-1之後。最後一個光束輪廓SP6展示加工平面105中或工件表面上之線性光束之一段。
其他配置係可能的。在圖10中之一雷射加工系統1000之例示性實施例之情況中，藉由相同元件符號表示與來自圖1之系統100之情況相同或類似之組件。如所展示，偏轉鏡170亦可配置於物鏡之前，即，在成像系統160-1之前。光束偏轉容許例如成像系統160-1之一垂直或幾乎垂直配置成為可能，藉此可達成對既有安裝空間之更好利用。在此情況中，來自成像系統160-1之雷射光束直接撞擊於工件上而沒有進一步偏轉。另外，可提供在物鏡與工件之間之一第二偏轉鏡。
為了產生雷射光束與工件之間之相對移動，此處，使工件110在相對於入射光束平面傾斜之一平面(x-y平面)中線性地移動。傾斜入射確保自工件表面返回之反射無法進入雷射加工系統之光束路徑。理想地，所產生之線性光束覆蓋待加工工件或工件之待加工區域之整個寬度，使得工件僅必須沿一個軸移動。
用於短軸及長軸之所描述光學系統具有在工件上產生所要線性光束之效應。在一些例示性實施例(包含此處所展示之實例)之情況中，此具有300 mm至370 mm之一長度及330 μm之一寬度。然而，藉由改變柱面透鏡陣列140-1x、140-2x而同時繼續使用聚光系統150x及成像系統160-1，可產生具有其他尺寸(例如長度為70 mm至110 mm)之一線性光束。
在例示性實施例之情況中，線性光束之特徵在於其輪廓在長光束軸及短光束軸兩者上具有一平頂形式(在光束輪廓之較大部分上具有幾乎恆定之能量密度、在外部區域中具有能量密度之幾乎垂直下降)，其中沿短軸之一均質性偏差＜ 4%或沿長軸之一均質性偏差甚至＜ 1.5%。圖3中示意性地展示工件上之光束輪廓(但線性光束之側邊比在繪圖中未按比例繪製)。
在所表示之例示性實施例之情況中，分別提供一種光束擴展系統。光束擴展之目的係產生儘可能好地填充第一均質器陣列之一光束。儘可能多的微透鏡應被入射光線「擊中」，此係因為由入射透鏡覆蓋之微透鏡愈多，則輸出光束之均質性愈好。在沒有光束擴展之情況下，均質性一般較差。原理上，亦可在沒有上游光束擴展之情況下使用一均質器。因此，若對均質性之要求不太高，則可免除配置於光束分裂上游之一光束擴展，即，免除配置於雷射光束下游用於接收原始雷射光束且產生一擴展雷射光束之一光束擴展系統。
在所表示之例示性實施例之情況中，分別提供成像均質化系統。一成像均質化系統或一成像均質器具有兩個透鏡陣列及一下游聚光系統。在一成像均質器之情況中，第二透鏡陣列之透鏡投影第一透鏡陣列之對應透鏡孔徑之一影像；接著，此等個別影像藉由聚光系統疊加於其焦平面上。替代地，在一些情況中，亦可提供一非成像均質器(或一非成像均質化系統)。一非成像均質器由僅一個透鏡陣列及一下游聚光系統組成。一非成像均質器一般尤其適用於照明最大可能表面積，而成像均質器可達成更好均質性。在成像均質化系統之情況中，可例如藉由改變透鏡陣列之間之距離而更容易地改變線大小。此亦可用於補償生產容差。
100:雷射加工系統 102:雷射光束源 105:加工平面 110:工件 112:表面 120:光束擴展系統/望遠鏡 120-1:平凸柱面透鏡 120-2:平凸柱面透鏡 140-1:光學元件 140-1A:第一柱面透鏡陣列 140-1B:第二柱面透鏡陣列 140-2:光學元件 140-2A:第一柱面透鏡陣列 140-2B:第二柱面透鏡陣列 150-1:第一聚光系統 150-1A:第一鏡/凸面鏡 150-1B:第一鏡/凹面鏡/第二聚光鏡/第二柱面透鏡陣列 150-2:第二聚光系統 150-2A:第二鏡/凹面鏡 150-2B:第二鏡/凸面鏡 160-1:成像系統 160-1A:第一鏡 160-1B:第二鏡/凸面鏡 170:平面偏轉鏡 1000:雷射加工系統 KS:系統座標系 LS:雷射光束 SP1:光束輪廓 SP2:光束輪廓 SP3:光束輪廓 SP4:光束輪廓 SP5:光束輪廓 SP6:光束輪廓 ZB:中間影像
自發明申請專利範圍及本發明之較佳例示性實施例之下文描述浮現出本發明之進一步優點及態樣，下文基於圖說明該等優點及態樣。 圖1示意性地展示在一第一例示性實施例之情況中之一雷射加工系統之構造及光束路徑； 圖2展示緊接在離開雷射光束源之後的原始光束之能量分佈之一示意圖示； 圖3展示對應於一平頂輪廓之處理平面中之雷射光束之能量分佈之一示意圖示； 圖4至圖9展示在沿光束路徑之不同位置處之特性光束輪廓； 圖10示意性地展示在一第二例示性實施例之情況中之一雷射加工系統之構造及光束路徑。
100:雷射加工系統
102:雷射光束源
105:加工平面
110:工件
112:表面
120:光束擴展系統/望遠鏡
120-1:平凸柱面透鏡
120-2:平凸柱面透鏡
140-1:光學元件
140-1A:第一柱面透鏡陣列
140-1B:第二柱面透鏡陣列
140-2:光學元件
140-2A:第一柱面透鏡陣列
140-2B:第二柱面透鏡陣列
150-1:第一聚光系統
150-1A:第一鏡/凸面鏡
150-1B:第一鏡/凹面鏡/第二聚光鏡/第二柱面透鏡陣列
150-2:第二聚光系統
150-2A:第二鏡/凹面鏡
150-2B:第二鏡/凸面鏡
160-1:成像系統
160-1A:第一鏡
160-1B:第二鏡/凸面鏡
170:平面偏轉鏡
KS:系統座標系
LS:雷射光束
SP1:光束輪廓
SP2:光束輪廓
SP3:光束輪廓
SP4:光束輪廓
SP5:光束輪廓
SP6:光束輪廓
ZB:中間影像

Claims (13)

  1. 一種用於在一加工平面(105)中產生具有具一短軸及垂直於其之一長軸之一線性光束剖面之一雷射光束的雷射加工系統(100、1000)，其包括：一雷射光束源(102)，其用於產生一原始雷射光束；一光束擴展系統(120)，其配置於該雷射光束源(102)下游用於接收該原始雷射光束且產生一擴展雷射光束；一均質化系統，其配置於該光束擴展系統下游用於接收該擴展雷射光束且在該加工平面(105)中產生具有一線性光束剖面之關於光強度分佈均質化的一雷射光束，該均質化系統具有用於沿該短軸均質化之一第一均質化配置及用於沿該長軸均質化之一第二均質化配置，該等均質化配置之各者具有用於將該雷射光束分裂成大量部分光束之光學元件(140-1、140-2)、及配置在用於將該雷射光束分裂之該等光學元件的下游用於使該等部分光束疊加於一疊加平面中之一聚光系統(150-1、150-2)，其特徵在於該第一均質化配置具有具至少一個第一鏡(150-1A、150-1B)之一第一聚光系統(150-1)，且該第二均質化配置具有具至少一個第二鏡(150-2A、150-2B)之一第二聚光系統(150-2)。
  2. 如請求項1之雷射加工系統，其中該第一聚光系統(150-1)及該第二聚 光系統(150-2)形成為反射光學系統。
  3. 如請求項1或2之雷射加工系統，其中該第一聚光系統(150-1)及/或該第二聚光系統(150-2)具有恰好兩個鏡(150-1A、150-1B、150-2A、150-2B)。
  4. 如請求項1或2之雷射加工系統，其中用於將該雷射光束分裂成大量部分光束之該等光學元件(140-1、140-2)針對該等軸之各者具有一第一柱面透鏡陣列(140-1A、150-1A)及一下游第二柱面透鏡陣列(140-1B、150-1B)，使得該第一均質化配置及該第二均質化配置分別形成一成像均質化系統。
  5. 如請求項1或2之雷射加工系統，其中該光束剖面沿該長軸與沿該短軸之長度之間的一縱橫比在100或更大之範圍內，該縱橫比較佳地在100至1000之範圍內。
  6. 如請求項1或2之雷射加工系統，其中該第一聚光系統(150-1)經設計以在該加工平面(105)之前之一距離處產生一真實中間影像(ZB)，且其中用於將該中間影像(ZB)投影至該加工平面上之一成像系統(160-1)配置於該中間影像與該加工平面之間。
  7. 如請求項6之雷射加工系統，其中該成像系統(160-1)具有以下特徵之一或多者： (i)該成像系統(160-1)經設計用於在該短軸之大小沒有任何變化之情況下將該中間影像(ZB)投影至該加工平面(105)中；(ii)該成像系統(160-1)具有一第一鏡(160-1A)及恰好一個第二鏡(160-1B)，該成像系統較佳地經配置且經構造使得雷射光束(LS)自該第一鏡(160-1A)之一第一區域反射至該第二鏡(160-1B)，且自該第二鏡反射至該第一鏡(160-1A)之一第二區域；(iii)該成像系統(160-1)具有一對稱構造。
  8. 如請求項1或2之雷射加工系統，其中至少一個平面偏轉鏡(170)配置於該雷射光束(102)與該加工平面(105)之間之光束路徑中。
  9. 如請求項8之雷射加工系統，其中該偏轉鏡(170)光學地配置於具有折射能力之最後一個光學元件與該加工平面(105)之間。
  10. 如請求項9之雷射加工系統，其中該偏轉鏡(170)可移動地安裝且可以一受控方式樞轉。
  11. 如請求項6之雷射加工系統，其中一平面偏轉鏡配置於該成像系統(160-1)之前，特定言之在該中間影像(ZB)與該成像系統(160-1)之間。
  12. 如請求項1或2之雷射加工系統，其中用於在該第一均質化配置及/或該第二均質化配置之情況中產生該大量部分光束之該等光學元件(140-1、140-2)在結構上是可更換的，較佳地組合成可整體更換之一子總成。
  13. 如請求項1或2之雷射加工系統，其中該雷射加工系統(100、1000)經設計使得該加工平面(105)中之該光束剖面在該長軸及該短軸上具有一平頂形式，沿該短軸之一均質性偏差係4%或更小，及/或沿該長軸之一均質性偏差係1.5%或更小。
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