Beobachtungsobjektive

Die Beobachtung eines Laserprozesses wird in vielen Fällen durch das Scanobjektiv selbst durchgeführt (1). Monochromatisch korrigierte Laseroptiken führen bei unterschiedlichen Wellenlängen von Beobachtung und Bearbeitung zu einem lateralen und longitudinalen Fokusversatz. Ein weiterer Nachteil ist die Begrenzung der verfügbaren Öffnung für das Beobachtungsobjektiv durch die Scannerapertur, was eine geringere Auflösung zur Folge hat.

Alternativ dazu kann eine durchsichtige Arbeitsebene auch von der gegenüberliegenden Seite beobachtet werden (2).

Für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Abbildungsqualität und einer und undurchsichtiger Arbeitsebene kann die Beobachtung am Scanobjektiv vorbei geführt werden, was eine schräge Orientierung der optischen Achse zur Objektebene zur Folge hat (3). Abhängig von der Schärfentiefe des Objektivs wird hierdurch jedoch nur ein Streifen entlang der Kippebene scharf abgebildet. Diese Unschärfe kann durch einen passenden Adapter zwischen Kamera und Sensor nach dem Scheimpflug Prinzip kompensiert werden.

Optische Kohärenztomographie

Für die dreidimensionale Darstellung eines Scanfeldes reichen herkömmliche Beobachtungsobjektive nicht mehr aus. Die optische Kohärenztomographie ist ein berührungsloses Verfahren, das für derartige Anwendungen geeignet ist.

Dessen Grundidee ist die Wellenüberlagerung zweier Strahlengänge. Mit Hilfe des generierten Interferogramms kann der Weglängenunterschied zwischen einem bekannten Referenzstrahlengang und einem Messstrahlengang ermittelt werden. Bei bekanntem Referenzweg und Weglängenunterschied kann die Wegstrecke des Messstrahlengangs errechnet werden. Weitere Messungen, die in x- und y-Richtung versetzt sind, erzeugen eine dreidimensionale Karte der Prüffläche. Dabei sind Genauigkeiten im Mikrometerbereich erreichbar.

Für Laser mit extrem hohen Repetitionsraten reicht die Geschwindigkeit von handelsüblichen Galvanometerscannern oftmals nicht aus. Extrem schnelle Polygonscanner sind hier eine bestens geeignete Alternative. Zwar handelt es sich bei Polygonscannern um eindimensionale Systeme, dafür erreichen sie sehr hohe Geschwindigkeiten und reduzieren die Dauer der Lasermaterialbearbeitung. Genauso wie bei Galvoscannern werden auch nach Polygonscannern f-Theta Objektive eingesetzt. Viele der vorhandenen Scanobjektive können mit Polygonscannern ohne merklichen Einfluss auf die Performance eingesetzt werden. Darüber hinaus bietet Sill Optics kundenspezifische Objektive an, die speziell für Polygonscanner ausgelegt sind, um deren Möglichkeiten voll auszuschöpfen.

In der Mikrostrukturierung werden normalerweise zwei verschiedene Verfahren verwendet. Direkte (maskenlose) Strukturierung und Maskenabbildung.

Flexibilität, einfache Handhabung und Kosteneffizienz zeichnen den direkten Laserprozess mit diodengepumpten Halbleiterlasern für Strukturgrößen im Mikrometerbereich aus.

In Maskenprojektionssystemen werden normalerweise Excimer Laser verwendet, um Maskenstrukturen verkleinert abzubilden. Hier sind Strukturen im Submikrometerbereich möglich. Zusätzlich hat man hier eine sehr gute Kontrolle über die Schärfentiefe und verzeichnungsfreie Strukturen.

Eine Kombination aus beiden Technologien ist das sogenannte SMI, „Scanned Mask Imaging“. Ein aufgeweiteter, homogenisierter Laserstrahl mit Flat Top Profil, scannt mit einem 2D-Scansystem und telezentrischem f-Theta Objektiv eine Maske ab. Deren Struktur wird über ein doppelseitig telezentrisches Abbildungsobjektiv verzeichnungsfrei auf das Substrat abgebildet. Sill Optics entwickelt telezentrische f-Theta Objektive zum Scannen der Maske und verzeichnungsfreie Abbildungsobjektive nach Kundenvorgabe.

Bei einer andauernden Bestrahlung von schwarz eloxierten Fassungsteilen mit Streustrahlung im ultravioletten Spektrum kann es zu einer Ausbleichung kommen. Eventuell entstehende Rückstande können die Linsen verunreinigen, was zu einer Verkürzung der Lebensdauer von optischen Komponenten führt. Daher ist es möglich, f-Theta Objektive und Strahlaufweiter für den UV-Bereich ohne Aufpreis mit einem resistenten, natureloxierten Gehäuse zu erhalten. Während natureloxierte Fassungsteile für f-Theta Objektive gesondert angefragt werden müssen, ibt es für Strahlaufweiter eine eigene Katalogserie mit resistenten Fassungen ("S6EXN").

Neben den bekannten f-Theta Objektiven für Galvosysteme, bei denen die Ablenkeinheit vor dem Scanobjektiv ist, können für die Bearbeitung ebener Bildfelder auch optische Systeme mit veränderlicher Brennweite vor den Galvospiegeln verwendet werden. Diese bestehen in der Regel aus einer in Strahlrichtung beweglichen Linse und einem Fokussiersystem. Die bewegliche Linse muss während des Prozesses in ihrer Position relativ zum Fokussiersystem verändert werden, ansonsten würde sich der Fokus auf einer Kugelschale befinden. Die Bewegungen der Scannerspiegel und die Linsenbewegung werden zueinander synchronisiert. Dadurch kann zwar die Bearbeitungsebene geglättet werden, jedoch variiert die Fokusgröße auf dem Scanfeld in der Regel stärker als bei einem f-Theta Objektiv. Trotzdem überwiegt für manche Anwendungen die mögliche 3D Bearbeitung als klarer Vorteil gegenüber herkömmlichen Scanobjektiven.

Justierdrehen ist eine hochgenaue Fertigungstechnik, welche die Verkippung der Linsenachse zur optischen Achse minimiert. Fertigungsgenauigkeiten von wenigen Mikrometern sind mit dieser Technik erreichbar. Um eine Linse justierdrehen zu können, muss sie zuvor in ihrer Fassung fixiert werden. Die Optik kann durch Bördeln, Vorschraubringe oder Klebeverbindungen mit der Mechanik verbunden werden. Anschließend werden Linse und Fassung in der Anlage genau ausgerichtet, sodass die optische und mechanische Achse exakt übereinander liegen. Mit Hilfe von Keramikwerkzeugen werden die Außenflächen sowie die vordere und hintere Auflagefläche zentriert. Dadurch kann ein Außendurchmesser mit Toleranzen von wenigen Mikrometern gefertigt werden. Bei extrem hohen Anforderungen an die Zentrierung greift Sill Optics für die Fertigung von moderner Hochpräzisionsoptik auf diese Technik zurück.

Bei Objektiven mit einer besonders hohen Zentrierempfindlichkeit ist es sinnvoll, nach der Montage die Lage und Geometrie der einzelnen Linsen zu prüfen. Dabei wird der Zentrierfehler von jeder Fläche innerhalb eines Objektivs auf wenige Mikrometer genau vermessen. Bei Bedarf und einer entsprechenden Konstruktion können Linsen nachträglich justiert und der Zentrierfehler somit stark reduziert werden.

Auch beim Verkitten von Linsenpaaren kommt das Messgerät zum Einsatz, wodurch auch hier der Zentrierfehler zwischen den Einzellinsen minimiert werden kann. Konkret kann geprüft werden, ob die Mittendicken, Luftabstände und Radien bei bis zu 20 Flächen innerhalb der Toleranz sind.

Aufgrund der stetig wachsenden Anforderungen an Durchsatz und Präzision sind in vielen industriellen Applikationen Strahlteiler und Strahlformer im Einsatz.

Strahlteiler teilen den Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen mit definierten Separationswinkeln auf. Hier werden oft diffraktive optische Elemente (DOE) verwendet. Die Aufspaltung kann in einer oder zwei Dimensionen erfolgen. Der Separationswinkel zwischen den Strahlen ist abhängig von der Ordnung der Aufspaltung und damit nicht linear, was zu größer werdenden Fokuspunktabständen mit Standardoptiken führt und in Applikationen problematisch sein kann. Hier ist es aber möglich Scanoptiken speziell so zu korrigieren, dass konstante Fokuspunktabstände erreicht werden.

Strahlformer konvertieren einen beugungsbegrenzten Gaußschen Strahl in einen Strahl mit gleichförmigen Intensitätsprofi l. Hier finden meist diffraktive oder asphärische optische Elemente Verwendung. Es ist zu beachten, dass in nachfolgenden optischen Systemen wie Strahlaufweitern oder f-Theta Objektiven oft mehr als der doppelte Strahdurchmesser als freie Apertur nötig ist. Zudem muss die Abbildungsleistung beugungsbegrenzt sein, um die Strahlform zu erhalten.

Sill Optics bietet verschiedene kundenspezifische rotationssymmetrische Optiken an. Das Produktportfolio erstreckt sich von sphärischen Linsen über Asphären bis hin zu segmentierten Linsen, Domen und rechteckigen Linsen. Auf Anfrage entwickelt Sill Optics gerne kundenspezifische Sonderlinsen, die speziell für Ihre Anwendung ausgelegt werden.