DE19801612C1

DE19801612C1 - Vorrichtung zur großflächigen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen unter Vakuum

Info

Publication number: DE19801612C1
Application number: DE19801612A
Authority: DE
Inventors: Robby Dipl Phys Ebert; Guenter Prof Dr Rer Nat Reise; Horst Prof Dr Ing Exner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-01-17
Filing date: 1998-01-17
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2018-01-18

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur großflächigen Be arbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen unter Vakuum nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Der Einsatz von mit einem Gasgemisch gefüllten Kammern bei der Bearbeitung von Materialien mit Laserstrahlen ist bekannt. So wird in der DE 195 07 206 eine Anordnung zur flexiblen Er zeugung von Mikrostrukturen auf großen Flächen und ein Verfah ren dazu angegeben. Die Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß ein großflächiges Einkoppelfenster, das über die gesamte Fläche des mittleren Abschnittes einer in drei Abschnitte auf geteilten kubischen Bearbeitungskammer reicht, eingesetzt wird. Das Einkoppelfenster besteht aus einem dünnen und für die La serstrahlung transparenten Material. Bei der Evakuierung der Bearbeitungskammer wird dieses Einkoppelfenster durch mindes tens ein Stützelement gehalten. Dieses befindet sich auf einer in der Bearbeitungskammer bewegbaren Trägerplatte, auf der sich gleichzeitig die Substrathalterung befindet.

Damit sind großflächige Bearbeitungskammern realisierbar, die aber nur für die Entfernung der Reaktionsgase und für die Rei nigung der Substrate evakuiert werden können. Die eigentliche Erzeugung der Mikrostrukturen erfolgt stets unter Normaldruck. In der US 5 174 826 wird eine Anlage beschrieben, die grund sätzlich aus einer Bearbeitungskammer mit einem Einkoppelfen ster für die Laserstrahlen, einer verschließbaren Öffnung zur Beschickung oder Entnahme des Substrates und verschiedenen An schlußstutzen für das Befüllen oder Abpumpen verschiedener gas förmigen Medien besteht.

Die Bearbeitungskammer ist evakuierbar. Der erzielbare Unter druck wird durch die mechanischen Eigenschaften aller Teile der Bearbeitungskammer bestimmt. Darin liegt ein erster Nachteil dieser Anlage. Die Dicke und die Fläche des Einkoppelfensters bestimmen maßgeblich die Größe des Druckes. Um diesen Nachteil des kleinen Einkoppelfensters auszugleichen, erfolgt die Bewe gung des Lasers oder der Ablenkeinrichtung für die Laserstrah len außerhalb der Bearbeitungskammer und des Substrathalters in der Bearbeitungskammer während der Beschichtung. Darin liegt ein weiterer Nachteil, denn um alle Punkte oder Flächensegmente des Substrates zu erreichen, muß die Grundfläche der Bearbei tungskammer mindestens viermal größer als die Substratfläche oder der Substrathalterfläche ausgebildet werden. Bei sehr großen Substraten stellt diese Tatsache einen erheblichen Nach teil dar, da damit nicht nur die materiellen Aufwendungen, in Form von z. B. ökonomisch aufwendigen Positioniereinrichtungen, steigen, sondern auch technologische Abläufe durch ein größeres Volumen der Bearbeitungskammer zeitlich verlängert ablaufen müssen. Ein größeres Volumen bedingt auch einen erhöhten Ver brauch an Precursorgasen.

Der nächstliegende Stand der Technik ist in der JP 5-237683 (Läserstrahlbearbeitungssystem und Verfahren zur Steuerung des selben) aufgeführt. Dabei weist die Deckplatte einer Bearbei tungskammer eine gegenüber den Abmessungen der Deckplatte kleinere Öffnung auf. Diese Öffnung ist mit einem streifen förmigen Fenster Versehen. Der Laserstrahl wird über eine Laserstrahlführung vollständig über die längste Abmessung des streifenförmigen Fensters geführt. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß das Werkstück während der Bearbeitung in der Bearbeitungskammer in Richtung quer zur längsten Abmessung des streifenförmigen Fensters über eine Bewegungseinrichtung in der Bearbeitungskammer verfahren werden muß. Diese besitzt dement sprechend in dieser Richtung mindestens die doppelte Länge des Werkstücks oder der Werkstücke und benötigt einen Bewegungsmechanismus.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, so daß ein großflächi ges Werkstück oder mehrere großflächige Werkstücke in mindes tens einer Vakuumkammer als Bearbeitungskammer mit Laserstrah len bearbeitet werden können.

Dieses Problem wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die Vorrichtung zur großflächigen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen unter Vakuum zeichnet sich dadurch aus, daß durch ein streifenförmiges Fenster ein großflächiges Werk stück oder mehrere großflächige Werkstücke in einer Vakuumkam mer mit Laserstrahlen bearbeitet werden können. Die Vakuumkam mer als Bearbeitungskammer besitzt eine Öffnung in der Deck platte, die die Größe der bearbeitbaren Fläche des Werkstückes oder der Werkstücke in der Bearbeitungskammer bestimmt. Gleich zeitig kann diese Öffnung der Beschickung der Bearbeitungskam mer mit dem Werkstück oder den Werkstücken dienen. Natürlich sind auch Vakuumschleusen oder luftdichte Türen in die Wände der Bearbeitungskammer zur Beschickung integrierbar.

Das streifenförmige Fenster ist Teil einer Fensterplatte, die lose auf einer O-Ringdichtung, die die Öffnung der Deckplatte der Bearbeitungskammer umschließt, aufliegt. Damit werden drei Bedingungen gewährleistet, zum Ersten erfolgt eine Abdichtung der Bearbeitungskammer nach außen, zum Zweiten ist diese Fen sterplatte unter Vakuum auf der O-Ringdichtung und damit auf der Deckplatte der Bearbeitungskammer verschiebbar und zum Dritten ist die Fensterplatte unter Normaldruck in der Bearbei tungskammer leicht entfernbar, so daß die Bearbeitungskammer mit dem Werkstück oder den Werkstücken beschickt werden kann. Das Material, aus welchem das Fenster besteht, ist für die verwendete Laserwellenlänge transparent. Durch die streifenför mige Ausgestaltung des Fensters wird die für das Fenster be nötigte Dicke zur Gewährleistung der Druckbeständigkeit ledig lich von der Breite und von den Eigenschaften des Materials des Streifens vorgegeben. Die Länge des streifenförmigen Fensters ist fast beliebig wählbar. Diese wird durch die geometrischen Abmessungen in Verbindung mit den Werkstoffeigenschaften der Bearbeitungskammer und insbesondere der Fensterplatte bestimmt. Die Verwendung eines streifenförmigen Fensters führt gleichzei tig dazu, daß über dessen Länge der Laserstrahl in die Be arbeitungskammer eingekoppelt wird, so daß eine Bearbeitungs richtung für das Werkstück oder die Werkstücke vorgegeben ist. Die Verschiebung der Fensterplatte in Richtungen rechtwinklig zur Länge des streifenförmigen Fensters ermöglicht ein flächen haftes Überstreichen und damit vollständiges Bearbeiten des Werkstückes oder der Werkstücke in der Bearbeitungskammer. Richtungen bedeutet dabei eine hin- und hergehende Bewegung in einer Koordinate. Damit ist mit einem translatorischen in einer Richtung wirkenden Antrieb der Fensterplatte eine flächenhafte Bearbeitung gegeben. Die zweite Richtung der Bearbeitung wird durch die Abmessungen der Öffnung in der Deckplatte der Bear beitungskammer und denen der Fensterplatte bestimmt. Durch eine Bewegung der Fokussierlinse in Strahlrichtung ist eine Justie rung des Laserstrahlfokus auf die Werkstückoberfläche möglich. In Verbindung mit einem motorischen Antrieb und einer Steuerung kann der Fokus auch auf dreidimensionalen Oberflächenprofilen geführt werden. Die Vorrichtung zur großflächigen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen unter Vakuum gewährleis tet eine feste Position des Werkstücks oder der Werkstücke in der Bearbeitungskammer.

Positioniereinrichtungen für das Werkstück oder die Werkstücke in der Bearbeitungskammer entfallen. Komplizierte und ökono misch aufwendige Vorrichtungen werden eingespart.

Damit eignet sich die Vorrichtung zur großflächigen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen unter Vakuum besonders für eine großflächige Mikrostrukturierung von Substraten.

Mikrostrukturierung bedeutet beispielsweise Beschichten, Be lichten, Abtragen, Schneiden oder Ätzen des Substrates oder Teilen davon unter Erzeugung von lateralen und vertikalen Strukturen im Bereich von 0,1 µm bis mehreren 100 µm.

Weiterhin ist mit der Vorrichtung auch ein großflächiges un strukturiertes Beschichten von flachen Werkstücken realisier bar.

Möglich sind ebenfalls Härten und Schweißen unter Vakuumbedin gungen.

Die Anordnung von mindestens zwei Bearbeitungskammern führt zu einem kontinuierlichen technlogischen Prozeß. Während in einer Bearbeitungskammer die Bearbeitung der Werkstücke erfolgt, wer den die restlichen Bearbeitungskammern entleert, beschickt und evakuiert. Damit sind weiterhin ökonomische Vorteile verbunden, da die gegenüber den Bearbeitungskammern wesentlich teureren laserstrahlerzeugenden Einrichtungen im wesentlichen ohne Pau sen zum Einsatz kommen. Ein Wechsel der laserstrahlerzeugenden Einrichtung durch unterschiedliche Bearbeitungstechnologien ist leicht möglich, da dabei nur eine derartige Einrichtung ge wechselt werden muß. Weiterhin wird eine damit verbundene Lagerhaltung reduziert. Damit ist eine derartige Anordnung besonders für eine Mittel- oder Großserienfertigung geeignet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patent ansprüchen 2 bis 14 angegeben.

Günstige geometrische Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Weiterbildungen der Patentansprüche 2 und 3 aufgeführt.

Die Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ermöglicht eine sichere Führung der Fensterplatte auf der Deckplatte.

Die Kopplung der laserstrahlerzeugenden Einrichtung mit einem den Laserstrahl vollständig über die längste Abmessung des streifenförmigen Fensters führenden translatorischen Antrieb nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 gewährleistet ein flächenhaftes Bearbeiten des oder der in der Bearbeitungskammer fest plazierten Werkstücks oder Werkstücke. Die beiden Ver fahrrichtungen, hervorgerufen durch den Antrieb der Fenster platte und dem Antrieb der laserstrahlerzeugenden Einrichtung, sind je nach den Bearbeitungskriterien einzeln oder miteinander verkoppelt betreibbar.

Die laserstrahlerzeugende Einrichtung wird mit dieser Reali sierung direkt verfahren.

Der Einsatz eines den Laserstrahl vollständig über die längste Abmessung des streifenförmigen Fensters führenden Ablenkspie gels nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 erhöht die Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls wesentlich. Gleichzeitig sinkt der gerätetechnische Aufwand.

Der Einsatz einer dreidimensionalen Ablenkeinheit nach der Wei terbildung des Patentanspruchs 7 erhöht die Bearbeitungsge schwindigkeit wesentlich und ermöglicht damit die Anwendung weiterer Bearbeitungsverfahren.

Mit der Maßnahme der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 wird eine streifenförmige Bearbeitung des in der Bearbeitungskammer plazierten Werkstücks möglich. Damit erhöht sich die Effekti vität des Bearbeitungsverfahrens wesentlich.

Die Maßnahmen der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 erhöht die Flexibilität der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Weiterbildungen des Patentanspruchs 10 gewährleisten eine kontinuierliche Bestückung der Bearbeitungskammer mit Werk stücken. Diese Maßnahme ist die Grundlage für die Einbindung einer derartigen Vorrichtung in eine kontinuierlich verlaufende Fertigungstechnologie.

Eine die Laserstrahlen in die Bearbeitungskammer fokussierenden Vorrichtung nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 er möglicht die Bearbeitung von kleinen Strukturen auf dem Werk stück oder den Werkstücken.

Synchron arbeitende translatorische Antriebe nach der Weiter bildung des Patentanspruchs 12 ermöglichen die kontinuierliche Bearbeitung unterschiedlichster Konturenformen der Werkstücke oder auf den Werkstücken.

Die Weiterbildungen der Patentansprüche 13 und 14 führen je weils zu einem komplexen Bearbeitungssystems mit mindestens zwei Bearbeitungskammern.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dar gestellt und werden nachfolgend näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch die Bearbeitungskammer, die Nut, die O-Ringdichtung, der Fensterplatte und das streifen förmige Fenster,

Fig. 2 einen prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung zur groß flächigen Bearbeitung von Werkstücken mit einem verfahr baren Diodenlaser,

Fig. 3 einen prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung zur groß flächigen Bearbeitung von Werkstücken mit einer über Glasfaserkabel angekoppelten laserstrahlerzeugenden Einrichtung,

Fig. 4 einen prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung zur groß flächigen Bearbeitung von Werkstücken mit einem Ex cimerlaser,

Fig. 5 einen prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung zur groß flächigen Bearbeitung von Werkstücken mit einem Fest körperlaser und einer verfahrbaren Ablenkeinheit und

Fig. 6 einen prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung zur groß flächigen Bearbeitung von Werkstücken mit einer Laser portalanlage und zwei Bearbeitungskammern.

1. Ausführungsbeispiel

Die Vorrichtung zur großflächigen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen unter Vakuum besteht aus einer Vakuum kammer als Bearbeitungskammer 1, einer laserstrahlerzeugenden Einrichtung, Vorrichtungen zur Gasversorgung und Vakuumerzeu gung, optischen Bauteilen zur Führung von Laserstrahlen, einer Fensterplatte 2 und translatorischen Antrieben. Ein prinzi pieller Aufbau ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt.

Die Bearbeitungskammer 1 ist aus einer Grundplatte, einer Deck platte und vier Wänden aufgebaut. Damit ist ein kubischer Auf bau der Bearbeitungskammer 1 gegeben. Diese besteht aus einem Metall insbesondere einem Edelstahl. Die einzelnen Bestandteile in Form der Grundplatte, der vier Wände und der Deckplatte sind miteinander verschweißt. Eine Wand besitzt eine luftdicht ver schließbare Tür zur Beschickung der Bearbeitungskammer 1 mit Werkstücken mittels einem Handhabesystem oder per Hand. Damit ist ein luftdichter Aufbau der Bearbeitungskammer 1 gegeben.

Die Deckplatte besitzt eine rechteckige Öffnung 6, so daß auch die Deckplatte vollständig von innen mit dem übrigen Kubus der Bearbeitungskammer 1 verschweißbar ist. Diese Realisierung unterstützt den einfachen Aufbau der Bearbeitungskammer 1. Die Öffnung ist von einer Nut 4 umgeben, in die eine O-Ring dichtung 5 eingelegt ist. Die Querschnitte der Nut 4 und der der O-Ringdichtung 5 sind so ausgestaltet, daß zum Ersten die O-Ringdichtung 5 über die Oberfläche der Deckplatte ragt und zum Zweiten die O-Ringdichtung 5 die Nut 4 luftdicht ver schließt. Dazu besitzt die Nut 4 vorzugsweise einen halbkreis-, rechteck-, dreieckig- oder trapezförmigen Querschnitt. Der Querschnitt der O-Ringdichtung 5 ist vorteilhafterweise zweige staltet, wobei ein Teil dem der Nut 4 entspricht und der zweite Teil insbesondere halbkreisförmig ausgebildet ist. Als Materi alien für die O-Ringdichtung 5 werden vorzugsweise Viton oder Teflon eingesetzt.

Auf der O-Ringdichtung 5 befindet sich lose die Fensterplatte 2. In diese ist ein streifenförmiges Fenster 3 mit einer Va kuumdichtung eingebracht. Das streifenförmige Fenster 3 besteht vorzugsweise aus Glas oder einem für die Laserstrahlung trans parenten Kunststoff. Es ist mittels Schraub- oder Klemmverbin dungen mit der Fensterplatte verbunden, so daß es sich auch leicht wechseln läßt. Die Länge des streifenförmigen Fensters 3 entspricht dabei der Abmessung der Öffnung 6 der Bearbeitungs kammer 1 in x-Richtung. Die Breite des streifenförmigen Fen sters 3 liegt im Bereich von 5 mm bis 20 mm. Die Dicke des streifenförmigen Fensters 3 ist material- und breitenabhängig. Die Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Querschnitt dieser An ordnung.

Die Abmessung der Fensterplatte 2 in x-Richtung ist größer als der weiteste Außenabstand der O-Ringdichtung 5 ebenfalls in dieser Richtung. Die Abmessung in y-Richtung ist derart be messen, daß bei einer Position des streifenförmigen Fensters 3 jeweils an den Kanten der Öffnung 6 in dieser Richtung die Fensterplatte 2 immer die O-Ringdichtung 5 vollständig bedeckt. Dadurch wird bei diesen Positionen der Fensterplatte 2 der luftdichte Verschluß der Bearbeitungskammer 1 gewährleistet. Üblicherweise wird die Fensterplatte 2 mindestens doppelt so lang wie der Abstand der O-Ringdichtung 5 auf der Deckplatte in y-Richtung sein. Die Fensterplatte 2 ist mit einem transla torischen Antrieb verbunden. Zur Führung der Fensterplatte 2 in y-Richtung sind beidseitig an der Deckplatte Führungsnuten ein gebracht, in denen die zugehörigen Gegenstücke der Fensterplat te 2 sicher gleiten. Durch diese Führungsnuten wird jederzeit ein definierter Abstand zwischen streifenförmigen Fenster 3 und Werkstück gewährleistet, unabhängig vom Abnutzungsgrad der O- Ringdichtung 5. Die Endpositionen des streifenförmigen Fensters 3 werden durch die Kanten der Öffnung 6 der Deckplatte gebil det.

Das streifenförmige Fenster 3 befindet sich zwischen der Bear beitungskammer 1 und einer laserstrahlerzeugenden Einrichtung. Diese ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Diodenlaser oder ein Faserlaser mit einer Fokussiereinrichtung 7, wobei der op tische Ausgang direkt und mit einem minimalsten Abstand über die Oberfläche des streifenförmigen Fensters 3 geführt wird. Dazu ist der Diodenlaser oder der Faserlaser mit der Fokus siereinrichtung 7 mit einer in x- und z-Richtung kontinuier lich arbeitenden Positioniereinrichtung fest verbunden. Diese befindet sich auf einem Portal, das wiederum fest mit der Fen sterplatte 2 verbunden ist.

Mit diesen Maßnahmen ist eine Bewegung des Laserstrahles sowohl in x- und y-Richtung als auch in z-Richtung gegenüber der Grundfläche der Bearbeitungskammer 1 gegeben.

Die Koordination dieser Bewegungen und die Ansteuerung des Diodenlasers mit der Fokussiereinrichtung 7 erfolgt mittels einer elektronischen Steuer- oder Regeleinrichtung.

Eine Wand der Bearbeitungskammer 1 besitzt eine Öffnung, an die mindestens eine Vakuumpumpe und eine Gasversorgungseinrichtung über jeweils ein Ventil angekoppelt sind.

2. Ausführungsbeispiel

Die Vorrichtung zur großflächigen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen unter Vakuum besteht in einem zweiten Ausführungsbeispiel im wesentlichen aus den Elementen des ersten Ausführungsbeispiels.

Das streifenförmige Fenster 3 befindet sich zwischen der Be arbeitungskammer 1 und einer laserstrahlerzeugenden Einrich tung. Diese ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Festkörper laser 8, der außerhalb der Bearbeitungskammer 1 fest instal liert ist. Die Verbindung zu einem Bearbeitungskopf mit Fokus sieroptik 10 erfolgt mittels Glasfaserkabel. Der Bearbeitungs kopf mit Fokussieroptik 10 ist mit einer in x- und z-Richtung kontinuierlich arbeitenden Positioniereinrichtung fest verbun den (Darstellung der Fig. 3). Diese befindet sich auf einem Portal, das wiederum fest mit der Fensterplatte 2 verbunden ist.

Mit diesen Maßnahmen ist eine Bewegung des Laserstrahls sowohl in x- und y-Richtung als auch in z-Richtung gegenüber der Grundfläche der Bearbeitungskammer 1 gegeben.

Die Koordination dieser Bewegungen und die Ansteuerung des Festkörperlasers erfolgt mittels einer elektronischen Steuer- oder Regeleinrichtung.

3. Ausführungsbeispiel

Die Vorrichtung zur großflächigen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen 9 unter Vakuum besteht in einem dritten Ausführungsbeispiel aus einer Vakuumkammer als Bearbeitungs kammer 1, einer laserstrahlerzeugenden Einrichtung, Vorrich tungen zur Vakuumerzeugung und Gasversorgung, optischen Bau teilen zur Führung von Laserstrahlen 9, einer Fensterplatte 2, einem translatorischen Antrieb und einem Ablenkspiegel mit einer Fokussieroptik 14.

Der Aufbau der Bearbeitungskammer 1 einschließlich der Öffnung 6 in der Deckplatte, der Nut 4, der O-Ringdichtung 5 und der Fensterplatte 2 mit dem streifenförmigen Fenster 3 entspricht im wesentlichen dem des ersten Ausführungsbeispiels (Darstel lung in der Fig. 1).

Das streifenförmige Fenster 3 befindet sich zwischen der Be arbeitungskammer 1 und dem Ablenkspiegel mit Fokussieroptik. Die laserstrahlerzeugende Einrichtung ist in diesem Ausfüh rungsbeispiel ein Excimerlaser 15, der zur Bearbeitungskammer 1 fest positioniert ist. Die Austrittsstelle des Laserstrahls 9 befindet sich außerhalb des streifenförmigen Fensters 3. Unmittelbar nach der Austrittsstelle ist eine Strahlformungs einheit 13 angeordnet, die eine Aufweitung des Strahls in Richtung der Längsachse des streifenförmigen Fensters 3 und eine Parallelisierung der Strahlung bewirkt. Der so geformte Laserstrahl verläuft zum einen parallel zu der Oberfläche der Fensterplatte 2 und zum anderen senkrecht zur Längsachse des streifenförmigen Fensters 3. Im Strahlengang oberhalb des streifenförmigen Fensters 3 ist eine optische Einheit 14 derart angeordnet, daß der aufgeweitete Laserstrahl über die Längs achse des streifenförmigen Fensters 3 vollständig abgelenkt werden kann. Diese besteht vorzugsweise aus einem streifenför migen dielektrischen Ablenkspiegel und einer Fokussieroptik in Form einer Zylinderlinse. Der entstehende Linienfokus ent spricht in seiner Länge der Längsachse des streifenförmigen Fensters 3. Die Optiken sind vorzugsweise aus Quarzglas. Mit der linearen Bewegung der Fensterplatte 2 einschließlich des streifenförmigen Fensters 3 und der optischen Einheit 14 wird der Laserstrahl 9 derart in die Bearbeitungskammer 1 gelenkt, daß ein flächenhaftes Überstreichen des in der Bearbeitungskam mer 1 plazierten Werkstücks gegeben ist (Darstellung in der Fig. 4).

Die Koordination der schrittweisen Bewegung der Fensterplatte 2 und die Ansteuerung des Excimerlasers 15 erfolgt mittels einer elektronischen Steuer- oder Regeleinrichtung.

Eine Wand der Bearbeitungskammer 1 besitzt eine Öffnung, an die mindestens eine Vakuumpumpe und eine Gasversorgung über jeweils ein Ventil angekoppelt sind.

Die Vorrichtung entsprechend dem Ausführungsbeispiel ist vor rangig zum Belichten unter Vakuumbedingungen geeignet.

4. Ausführungsbeispiel

Die Vorrichtung zur großflächigen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen 9 unter Vakuum besteht in einem vierten Ausführungsbeispiel aus einer Vakuumkammer als Bearbeitungs kammer 1, einer laserstrahlerzeugenden Einrichtung, Vorrich tungen zur Vakuumerzeugung und Gasversorgung, optischen Bau teilen zur Führung von Laserstrahlen 9, einer Fensterplatte 2, einem translatorischen Antrieb, einer Ablenkeinheit mit einer Fokussieroptik 16. Den prinzipiellen Aufbau zeigt die Fig. 5. Der Aufbau der Bearbeitungskammer 1 einschließlich der Öffnung 6 in der Deckplatte, der Nut 4, der O-Ringdichtung 5 und der Fensterplatte 2 mit dem streifenförmigen Fenster 3 entspricht im wesentlichen dem des ersten Ausführungsbeispiels (Darstel lung in der Fig. 1).

Das streifenförmige Fenster 3 befindet sich zwischen der Be arbeitungskammer 1 und der Ablenkeinheit mit Fokussieroptik. Die laserstrahlerzeugende Einrichtung ist in diesem Ausfüh rungsbeispiel ein Festkörperlaser 8, der auf der Fensterplatte 2 fest positioniert ist. Die Austrittsstelle des Laserstrahles 9 befindet sich außerhalb des streifenförmigen Fensters 3. Der Festkörperlaser 8 wird mit der Fensterplatte 2 verfahren. Der Laserstrahl 9 des Festkörperlasers 8 verläuft zum einen paral lel zu der Oberfläche der Fensterplatte 2 und zum anderen in der Längsachse des streifenförmigen Fensters 3. Im Strahlengang oberhalb des streifenförmigen Fensters 3 ist eine optische Ein heit derart angeordnet, daß der Laserstrahl 9 über die Längs achse des streifenförmigen Fensters 3 geführt werden kann. Die Ablenkeinheit mit Fokussieroptik 16 besteht vorzugsweise aus einem handelsüblichen eindimensionalen Scannerspiegel mit einem Antrieb oder einem rotierenden Polygonspiegel und der Fokussieroptik. Unmittelbar über dem streifenförmigen Fenster 3 ist eine Korrekturoptik angebracht, so daß die Laserstrahlen 9 senkrecht auf die Werkstückoberfläche auftreffen. Die Optiken sind vorzugsweise aus Glas oder einem transparenten Kunststoff.

Mit der linearen Bewegung der Fensterplatte 2 einschließlich des streifenförmigen Fensters 3, des Festkörperlasers 8 und der Ablenkeinheit mit der Fokussieroptik 10 und der oszillierenden Bewegung der Ablenkeinheit wird der Laserstrahl 9 derart in die Bearbeitungskammer 1 gelenkt, daß ein flächenhaftes Überstrei chen des in der Bearbeitungskammer 1 plazierten Werkstücks gegeben ist.

Die Koordination dieser beiden Bewegungen und die Ansteuerung des Festkörperlasers 8 erfolgt mittels einer elektronischen Steuer- oder Regeleinrichtung.

5. Ausführungsbeispiel

Die Vorrichtung zur großflächigen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen 9 unter Vakuum besteht in einem fünften Ausführungsbeispiel aus einer Vakuumkammer als Bearbeitungskam mer 1, einer laserstrahlerzeugenden Einrichtung, Vorrichtungen zur Vakuumerzeugung und Gasversorgung, optischen Bauteilen zur Führung von Laserstrahlen, einer Fensterplatte 2, zwei trans latorischen Antrieben, einer laserstrahlablenkenden Einrichtung und einer Fokussieroptik. Den prinzipiellen Aufbau zeigt wie derum die Fig. 5.

Der Aufbau der Bearbeitungskammer 1 einschließlich der Öffnung 6 in der Deckplatte, der Nut 4, der O-Ringdichtung 5 und der Fensterplatte 2 mit dem streifenförmigen Fenster 3 entspricht im wesentlichen dem des ersten Ausführungsbeispiels (Darstel lung der Fig. 1).

Das streifenförmige Fenster 3 ist jedoch breiter ausgeführt, vorzugsweise zwischen 20 mm und 40 mm. Als Material wird vor rangig Glas eingesetzt.

Das streifenförmige Fenster 3 befindet sich zwischen der Bear beitungskammer 1 und der Ablenkeinheit mit Fokussiereinrichtung 16. Die laserstrahlerzeugende Einrichtung ist in diesem Ausfüh rungsbeispiel ein Festkörperlaser 8, der auf der Fensterplatte 2 fest positioniert ist. Die Austrittsstelle des Laserstrahles 9 befindet sich außerhalb des streifenförmigen Fensters 3. Der Festkörperlaser 8 wird mit der Fensterplatte 2 verfahren. Der Laserstrahl 9 des Festkörperlasers 8 verläuft zum einen paral lel zu der Oberfläche der Fensterplatte 2 und zum anderen in der Längsachse des streifenförmigen Fensters 3. Im Strahlengang oberhalb des streifenförmigen Fensters 3 ist die Ablenkeinheit mit Fokussieroptik 16 an einer mit der Fensterplatte 2 fest verbundenen Portalachse verfahrbar angebracht. Die Ablenkein heit mit Fokussieroptik 16 ist eine handelsübliche zweidimen sional wirkende Scannereinheit mit einem Antrieb und einer integrierten kurzbrennweitigen F-Theta Optik zur Fokussierung der Laserstrahlung mit zugehöriger rechnergesteuerter Fokus lagesteuerung über eine zusätzliche Achse in Richtung der Laserstrahlung. Das Scanfeld beträgt vorzugsweise 10 × 10 mm² bis 30 × 30 mm². Der Abstand zwischen der Ablenkeinheit mit Fokus sieroptik 16 und des streifenförmigen Fensters 3 ist so klein wie möglich ausgeführt.

Mit der Bewegung der Fensterplatte 2 einschließlich des strei fenförmigen Fensters 3, des Festkörperlasers 8, der Portalachse und der Ablenkeinheit mit Fokussieroptik 16 durch den ersten translatorischen Antrieb sowie der Ablenkeinheit mit Fokussier optik 16 mittels des zweiten translatorischen Antriebs wird der Laserstrahl 9 auf dem Werkstück in die Ausgangsposition ge bracht. Die für die Bearbeitung notwendige Ablenkung des Laser strahls 9 erfolgt anschließend mit der Scannereinheit. Damit ist eine sehr hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Anpas sung der Fokuslage in Strahlrichtung gewährleistet.

Die Koordination der Positionier- und der Bearbeitungsbewegun gen sowie die Ansteuerung des Festkörperlasers 8 erfolgt mit tels einer elektronischen Steuer- oder Regeleinrichtung.

6. Ausführungsbeispiel

Die Vorrichtung zur großflächigen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen unter Vakuum besteht in einem sechsten Ausführungsbeispiel aus zwei Vakuumkammern als Bearbeitungs kammern 1a und 1b, einer laserstrahlerzeugenden Einrichtung, Vorrichtungen zur Vakuumerzeugung und Gasversorgung, optischen Bauteilen zur Führung von Laserstrahlen, zwei Fensterplatten 2a und 2b mit jeweils einem translatorischen Antrieb, einer laser strahlablenkenden Einrichtung und einer Fokussieroptik. Den prinzipiellen Aufbau zeigt die Fig. 6.

Dabei ist der Aufbau der Bearbeitungskammern 1a, 1b einschließlich der Öffnung 6 in der Deckplatte, der Nut 4, der O-Ringdichtung 5 und der Fensterplatte 2 mit dem streifenförmigen Fenster 3 entsprechend der Bearbeitungskammer 1 des ersten Ausführungsbeispiels (Dar stellung in der Fig. 1).

Die Bearbeitungskammern 1a und 1b sind so angeordnet, daß sich die streifenförmigen Fenster 3a und 3b parallel zueinander be finden (Darstellung der Fig. 4).

Die streifenförmigen Fenster 3a, 3b befinden sich jeweils zwischen der Bearbeitungskammer 1a, 1b und einem Laserbearbeitungskopf 11. Die laserstrahlerzeugende Einrichtung ist in diesem Ausfüh rungsbeispiel eine zweiachsige Laserportalanlage 12 mit einem Nd: YAG- oder einem CO₂- Laser. Der Fokus der Laseranlage ist unter Beachtung der Dicke der streifenförmigen Fenster 3a und 3b auf die Werkstückoberfläche eingestellt. Die Bewegung in x- Richtung erfolgt jeweils über die volle Länge der streifenför migen Fenster 3a und 3b. Die Bewegung in y-Richtung erfolgt unter Synchronisation der Bewegung der jeweiligen Fensterplatte 2a oder 2b und der Bewegung des Portals auf der Achse 12. Die Koordination der Bewegungen der Fensterplatten 2a und 2b und des Nd: YAG- oder CO₂- Laserstrahls sowie die Ansteuerung dessen erfolgt mittels einer elektronischen Steuer- oder Regel einrichtung. Gleichfalls werden die wechselseitigen Arbeiten in den beiden Bearbeitungskammern 1a und 1b von dieser gesteuert. Jeweils eine Wand der Bearbeitungskammern 1a und 1b besitzt eine Öffnung, an die mindestens eine gemeinsame Vakuumpumpe und

eine gemeinsame Gasversorgung über jeweils ein elektrisch an steuerbares Ventil angekoppelt sind.

7. Ausführungsbeispiel

Der Aufbau der Vorrichtung eines siebten Ausführungsbeispiels entspricht grundsätzlich dem des ersten bis fünften Ausfüh rungsbeispiels.

Zwei sich gegenüberliegende Wände der Bearbeitungskammer be sitzen jeweils eine Vakuumschleuse. Damit können die zu bear beitenden Werkstücke kontinuierlich in die Bearbeitungskammer eingeführt werden.

Eine derartige Realisierung ist besonders für eine Mittel- oder Großserienfertigung geeignet.

Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsbeispiele eins bis fünf sind auch für die jeweilig anderen Ausführungsbei spiele verwendbar.

Claims

1. Vorrichtung zur großflächigen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen unter Vakuum bestehend aus mindestens einer Vakuumkammer als Bearbeitungskammer (1), die aus einer Grundplatte, einer Deckplatte und mindestens einer Wand besteht, mindestens einer laserstrahlerzeugenden Einrichtung, Vorrichtungen zur Führung und Formung der Laserstrahlen, Vorrichtungen zur Gasversorgung, Vorrichtung zur Vakuum erzeugung und mindestens einem translatorischen Antrieb, wobei die Deckplatte der Bearbeitungskammer (1) eine gegenüber den Abmessungen der Deckplatte kleinere Öffnung (6) besitzt, die von einem streifenförmigen Fenster (3) abgedeckt ist und wobei die Laserstrahlführung den Laserstrahl vollständig über die längste Abmessung des streifenförmigen Fensters (3) führt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine O-Ringdichtung (5) um die Öffnung (6) der Deckplatte in einer entsprechend ausgebildeten Nut (4) in der Deckplatte so angeordnet ist, daß diese über die Oberfläche der Deckplatte ragt, daß eine Fensterplatte (2) lose und/oder verfahrbar auf der O-Ring dichtung (5) aufliegt, daß das streifenförmige Fenster (3) in der Fensterplatte (2) angeordnet ist, daß die Fensterplatte (2) so ausgebildet ist, daß bei jeder beliebigen Position des streifenförmigen Fensters (3) gegenüber der Öffnung (6) der Deckplatte die Fensterplatte (2) die O-Ringdichtung (5) vollständig abdeckt und daß die Fensterplatte (2) mit dem rechtwinklig zur längsten Abmessung des streifenförmigen Fensters (3) wirkenden translatorischem Antrieb verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (6) in der Deckplatte quadratisch oder recht eckig ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des streifenförmigen Fensters (3) kleiner oder gleich der Länge oder der Breite der Öffnung (6) der Deckplatte ist.

4. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fensterplatte (2) über eine Nut in der Deckplatte außerhalb der O-Ringdichtung (5) in die Richtung rechtwinklig zur längsten Abmessung des streifenförmigen Fensters (3) geführt ist.

5. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das streifenförmige Fenster (3) zwischen der Bearbei tungskammer (1) und der laserstrahlerzeugenden Einrichtung oder einem Bearbeitungskopf mit Fokussieroptik (10) befindet, daß die laserstrahlerzeugende Einrichtung oder der Bearbeitungskopf mit Fokussieroptik (10) mit einem den Laserstrahl vollständig über die längste Abmessung des streifenförmigen Fensters (3) führenden translatorischen Antrieb verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das streifenförmige Fenster (3) zwischen der Bearbei tungskammer (1) und einer Ablenkeinheit mit Fokussieroptik (16) befindet und daß im Strahlengang des Laserstrahls ein diesen Laserstrahl vollständig über die längste Abmessung des strei fenförmigen Fensters (3) führender Ablenkspiegel und eine den Laserstrahl senkrecht zur Werkstückoberfläche ablenkende Korrekturoptik angebracht sind.

7. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das streifenförmige Fenster (3) zwischen der Bearbei tungskammer (1) und einer dreidimensional wirkenden Ablenkein richtung mit einer Fokussieroptik befindet, daß die dreidimen sional wirkende Ablenkeinrichtung mit der Fokussieroptik mit einem den Laserstrahl vollständig über die längste Abmessung des streifenförmigen Fensters (3) führenden translatorischen Antrieb verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer laserstrahlerzeugenden Einrichtung im Strahlen gang des Laserstrahls nacheinander eine den Laserstrahl in Richtung der Längsachse des streifenförmigen Fensters (3) aufweitende und eine Parallelisierung des Laserstrahles bewirkende Strahlformungseinheit (13), eine parallel zum streifenförmigen Fenster (3) angeordnete und den aufgeweiteten Laserstrahl über die Längsachse des streifenförmigen Fensters (3) ablenkende optische Einheit (14), das streifenförmige Fenster (3) und die Bearbeitungskammer (1) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungskammer (1) und/oder die laserstrahlerzeu gende Einrichtung mit mindestens einem translatorischen Antrieb verbunden sind.

10. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Wand der Bearbeitungskammer (1) eine luftdicht verschließbare Tür und/oder zwei gegenüberliegende Wände je ein Vakuumschleuse besitzen.

11. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die laserstrahlerzeugende Einrichtung mit einer die Laserstrahlen in die Bearbeitungskammer (1) fokussierenden Vorrichtung verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß synchron arbeitende translatorische Antriebe zum ersten mit der Fensterplatte (2) und zum zweiten mit der laserstrahl erzeugenden Einrichtung oder der Ablenkeinheit mit Fokussier optik verbunden sind.

13. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Bearbeitungskammern (1a, 1b) so angeordnet sind, daß sich die streifenförmigen Fenster (3a, 3b) parallel zueinander befinden, daß die laserstrahlerzeugende Einrichtung mit einem ersten den Laserstrahl vollständig über die längste Abmessung des streifenförmigen Fensters (3a, 3b) führenden translatorischen Antrieb und daß die laserstrahlerzeugende Einrichtung mit einem zweiten den Laserstrahl vollständig über die rechtwinklig dazu verlaufende Achse der mindestens zwei Bearbeitungskammern (1a, 1b) führenden translatorischen Antrieb verbunden sind.

14. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Bearbeitungskammern (1a, 1b) so angeordnet sind, daß sich die Längsachsen der streifenförmigen Fenster (3a, 3b) in einer Reihe hintereinander befinden, daß die laserstrahlerzeugende Einrichtung mit einem den Laserstrahl vollständig über die streifenförmigen Fenster (3a, 3b) führenden translatorischen Antrieb und daß die Bearbeitungs kammern (1a, 1b) mit einem rechtwinklig dazu wirkenden trans latorischen Antrieb verbunden sind.