用于将飞秒或皮秒激光束掩模投射到衬底表面上的设备制造技术

本发明专利技术涉及一种用于将飞秒或皮秒激光束掩模投射到衬底表面上的设备，其中由激光束脉冲组成的激光束在光轴的位置处形成以产生具有扩展的激光束横截面的激光束脉冲或具有减小的激光束横截面的激光束脉冲，并且所述激光束在激光束横截面上具有均匀强度分布。该设备还包括场透镜系统和成像透镜，其以这样的方式定位，使得由光阑和掩模透射的激光束脉冲的非衍射和衍射光束分量借助于场透镜系统以这样的方式被引导到具有预定孔径的成像透镜中，使得由光阑和掩模生成的强度剖面的在每个细节上精确并且具有预定成像比的缩小图像在成像平面中的激光束脉冲的激光束横截面上生成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于飞秒和皮秒激光束的掩模投射的设备。
技术介绍
用于准分子激光束的掩模投射的方法和设备是已知的并且用于固态表面的微结构化，并且特别是也用于通过借助于准分子激光器进行结构化、逐层材料烧蚀来生成三维微结构(尤其参见Excimerlasertechnology，Ed.Dr.DirkBasting，LambdaPhysikAG2001，ISBN3-00-006395-1，以及Weissmantel,S.；Reisse,G.；Haehnel,F.；Bertram,R.；Boettcher,R.；Productionofmicrostructuresinwide-band-gapandorganicmaterialsusingpulsedlaserablationat157nmwavelength；AppliedPhysicsA101(2010)491.)。在这些方法中，激光束由波长为157nm，193nm，248nm，308nm或351nm的准分子激光器发射，并且具有实质上矩形的横截面、在激光束横截面上的不均匀强度分布和短相干长度，并且因此在没有进一步的束成形的情况下不能用于微结构化的目的，所述激光束通过均化器形成，所述均化器将激光束分解成预定数量的部分光束，并且优选地再次重叠这些部分光束，并且通过场透镜元件形成具有预定方形激光束横截面的激光束，在光束传播方向上的位置P处的所谓均匀光点处具有均匀强度分布(顶部平坦强度剖面)。具有透射掩模区域的预定几何形状的掩模位于该位置P处。通过使用该掩模，在待生成的微结构所需的激光束横截面上的强度剖面(例如，格栅状强度剖面)由在均匀光点处的激光束的均匀强度分布形成，并且在将通过适合于准分子激光波长的聚焦光学器件结构化的衬底上以预定的缩小成像比成像。透射区域或布置在掩模的上游或下游的小距离处或者优选布置成与掩模接触的光阑的孔径的几何形状在该情况下生成由掩模形成的激光束的强度分布的横截面几何形状(轮廓形状)(参见例如WO2010111798和EP2336823A1的公开文本)。借助于准分子激光掩模投射方法可获得的最小结构尺寸位于几微米的区域中。专利技术人的研究没有产生用于飞秒激光束和皮秒激光束的掩模投射的任何进一步可比较的方法和设备。飞秒激光器(fs激光器)和皮秒激光器(ps激光器)发射中心波长主要在775nm至1064nm范围内的激光束，在激光束横截面上具有基本上高斯强度分布，并且具有比准分子激光器明显更大的相干长度。这些fs和ps激光束借助于商业上可获得的聚焦光学器件形成以使光束具有小焦点横截面，并且例如也用于固态表面的微结构化。在该聚焦方法中，激光束的焦点横截面上的强度分布因此类似地是高斯而不是均匀的；高斯半径的位置处的强度仅为光束中心处的值的1/e倍，即36.8％，并且光束半径的位置处的强度仅为光束中心的值的1/e2倍，即13.5％。为了在fs和ps激光束的焦点横截面上生成更均匀的强度分布，已开发布置在激光输出和聚焦光学器件之间的光束均化器。在先前已知的用于fs和ps激光束的光束均化器中(参见例如A.Laskin和V.Laskin，πShaper-RefractiveBeamShapingOpticsforAdvancedLaserTechnologiesinJournalofPhysics：ConferenceSeries276(2011)012171)，注量的一部分借助于折射透镜系统从光束横截面的内部部分传送到光束横截面的外部部分，使得在光束均化器下游的激光束横截面上生成更均匀的强度分布；然而，大致到目前为止仅实现在整个光束横截面上的平坦顶部强度剖面。具有高斯分布的激光束的焦点半径是波长、由激光器发射的原始光束的半径和焦距的函数，并且不能任意地减小。作为例子，在由德国Chemnitz的3D-MicromacAG生产的FS-150-10fs激光微结构化装置中，其具有由美国ClarkInc.生产的CPA2010激光器，该激光器具有775nm的中心波长，1mJ(1毫焦耳)脉冲能量和150fs脉冲持续时间，最小高斯焦点半径为5.7μm，具有32mm焦距的透镜，尽管有两倍的光束扩展，从3mm高斯半径到6mm，以及均匀化。已知的fs和ps聚焦方法的缺点至少几微米的可获得的焦点半径对于微结构化和纳米结构化领域中的多种应用来说太大；不能获得几微米(μm)和更小的结构尺寸。作为例子，借助于聚焦方法生成的具有高达几十微米的尺寸的微结构的边缘锐度太低，即使在激光束的脉冲重叠的情况下也是如此。例如借助于聚焦方法，不能产生具有对于可见波长范围高达一微米和更小的光栅常数的光学有效透射和反射光栅。作为激光束横截面上的高斯强度分布的结果，在焦点横截面上并且因此在结构化轨道的宽度上的烧蚀深度在轨道中心中比在轨道边缘处明显更大。作为例子，在用于生成平面材料烧蚀的聚焦激光束的曲折线扫描的情况下，这导致高表面粗糙度，甚至在轨道重叠的情况下。在微结构化的情况下和在分离由具有几纳米厚度的不同材料制成的几个子层组成的层堆叠的情况下，该强度分布例如导致轨道边缘处的不完全层烧蚀或者导致轨道中心处的衬底材料的损坏。在轨道宽度大于10微米的情况下，该缺点可以通过使用光束均化器来部分地矫正；然而，借助于聚焦方法不能获得高达一微米和更小并且具有均匀烧蚀深度的更小的轨道宽度。在聚焦方法中不能在激光束横截面上生成预定的结构化强度剖面。
技术实现思路
使用根据本专利技术的解决方案，将该克服先前使用的fs和ps聚焦方法的缺点。特别地，期望实现的是在待加工的衬底表面(工件表面)上的整个成像横截面上的均匀强度分布，和与可以使用聚焦方法设置的焦点横截面相比，明显更小的成像横截面，例如在优选在775nm至1064nm的范围内的中心激光束基波波长的情况下具有1μm的直径的圆形成像横截面区域或1μm2方形成像横截面区域，或者更加小的横截面，例如当使用激光束的倍频(SHG)或三倍频(THG)或四倍频(FHG)时，在几百纳米的范围内。在至少1mJ的fs和ps激光器的足够高的脉冲能量的情况下和在由此产生并且也取决于结构化所需的光束强度和成像比的均匀光点的可能可调节横截面区域的情况下，另外也应当能够借助于位于均匀光点中并且具有透射掩模区域的预定几何形状的掩模，从激光束的均匀强度分布形成用于生成预定微结构所需的激光束横截面上的强度剖面，例如光栅形状的强度剖面，并且应当能够借助于合适的聚焦光学器件以预定缩小成像比在待结构化的衬底上对其进行成像。根据本专利技术的解决方案包含一种用于将飞秒和皮秒激光束掩模投射到衬底表面上的设备，其中由激光束脉冲组成的激光束在光轴的位置处形成以产生具有扩展的激光束横截面的激光束脉冲或具有减小的激光束横截面的激光束脉冲，并且所述激光束在激光束横截面上具有均匀强度分布。具有预定光阑孔径几何形状的光阑和具有预定掩模孔径几何形状的掩模连续地定位在该位置处的光束路径中。该设备还包括场透镜系统和成像透镜，其以这样的方式定位，使得由光阑和掩模透射的激光束脉冲的非衍射和衍射光束分量借助于场透镜系统以这样的方式被引导到具有预定孔径的成像透镜中，使得由光阑和掩模生成的强度剖面的在每个细节上精确并且具有预定成像比的缩小图像在成像平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将飞秒或皮秒激光束掩模投射到衬底表面上的设备，其特征在于，由激光束脉冲组成的激光束(2)在光轴(5)的位置(P)处形成以产生具有扩展的激光束横截面的激光束脉冲或具有减小的激光束横截面的激光束脉冲，并且所述激光束在激光束横截面上具有均匀强度分布，具有预定光阑孔径几何形状的光阑(6)和具有预定掩模孔径几何形状的掩模(7)连续地定位在所述位置(P)处的光束路径中，所述设备还包含：场透镜系统(8)和成像透镜(10)，场透镜系统(8)和成像透镜(10)以这样的方式定位，使得由所述光阑(6)和所述掩模(7)透射的激光束脉冲的非衍射和衍射光束分量借助于所述场透镜系统(8)以这样的方式被引导到具有预定孔径的所述成像透镜(10)中，使得由所述光阑和所述掩模生成的强度剖面的在每个细节上精确并且具有预定成像比(V)的缩小图像(14)在成像平面(11)中的激光束脉冲的激光束横截面上生成，所述设备的特征还在于，在光束引导变型1中，加入的透镜系统(16)、所述场透镜系统(8)和所述成像透镜以这样的方式相对于彼此定位，使得在所述成像透镜(10)和衬底表面(12)之间生成焦点1(19)，并且在光束引导变型2中，所述加入的透镜系统(16)、所述场透镜系统(8)和所述成像透镜以这样的方式相对于彼此定位，使得在所述场透镜系统(8)和所述成像透镜(10)之间生成焦点2(22)，存在取决于情况而围绕所述焦点1(19)或所述焦点2(22)的区域的至少一个真空容器。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.12 EP 14167931.61.一种用于将飞秒或皮秒激光束掩模投射到衬底表面上的设备，其特征在于，由激光束脉冲组成的激光束(2)在光轴(5)的位置(P)处形成以产生具有扩展的激光束横截面的激光束脉冲或具有减小的激光束横截面的激光束脉冲，并且所述激光束在激光束横截面上具有均匀强度分布，具有预定光阑孔径几何形状的光阑(6)和具有预定掩模孔径几何形状的掩模(7)连续地定位在所述位置(P)处的光束路径中，所述设备还包含：场透镜系统(8)和成像透镜(10)，场透镜系统(8)和成像透镜(10)以这样的方式定位，使得由所述光阑(6)和所述掩模(7)透射的激光束脉冲的非衍射和衍射光束分量借助于所述场透镜系统(8)以这样的方式被引导到具有预定孔径的所述成像透镜(10)中，使得由所述光阑和所述掩模生成的强度剖面的在每个细节上精确并且具有预定成像比(V)的缩小图像(14)在成像平面(11)中的激光束脉冲的激光束横截面上生成，所述设备的特征还在于，在光束引导变型1中，加入的透镜系统(16)、所述场透镜系统(8)和所述成像透镜以这样的方式相对于彼此定位，使得在所述成像透镜(10)和衬底表面(12)之间生成焦点1(19)，并且在光束引导变型2中，所述加入的透镜系统(16)、所述场透镜系统(8)和所述成像透镜以这样的方式相对于彼此定位，使得在所述场透镜系统(8)和所述成像透镜(10)之间生成焦点2(22)，存在取决于情况而围绕所述焦点1(19)或所述焦点2(22)的区域的至少一个真空容器。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述场透镜系统(8)和所述成像透镜(10)之间布置90°偏转镜(9)。3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，存在用于改变所述成像透镜(10)的主平面(35)与所述衬底表面(12)之间的距离(s)的装置，借助于所述用于改变所述成像透镜(10)的主平面(35)与所述衬底表面(12)之间的距离(s)的装置，通过改变所述成像透镜的主平面与所述衬底表面(12)之间的距离(s)，所述成像平面(11)的预定位置选择性地置于所述衬底表面(12)的上方、上面或下方，其中所述预定位置被限定为离所述成像透镜(10)的主平面...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·雷瑟，S·威斯曼特尔，A·恩格尔，M·法伊弗，A·克拉兹，C·伯格利，M·科尔，
申请(专利权)人：伯格利格拉维瑞斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH