Optiken für UV-Laseranwendungen in der Lasermikrobearbeitung oder Lithografie müssen höchsten Ansprüchen hinsichtlich Transmission, Langzeitstabilität und Abbildungstreue genügen. Die Veränderung der Abbildungseigenschaften kritischer Komponenten unter Prozessbedingungen in Lasermikrobearbeitungsmaschinen ist eine der häufigsten Ausfallursachen optischer Hochleistungssysteme.

Eine wesentliche Ursache für belastungsabhängige und alterungsbedingte Veränderungen in den Abbildungseigenschaften hochbelasteter optischer Systeme sind lokale Änderungen des Bre-chungsindex in Folge inhomogener Temperaturverteilungen im Material der optischen Komponenten. Lokale Brechzahlvariationen ihrerseits verursachen eine zusätzliche Deformation der Wellenfront des Nutzstrahles. Hervorgerufen werden diese inhomogenen Temperaturverteilungen im Wesentlichen durch zwei Effekte. Die unvermeidbar inhomogene Intensitätsverteilung der Laserstrahlung in den optischen Komponenten führt zu einer inhomogenen Absorption und damit zur Ausbildung einer so genannten Thermischen Linse. Darüber hinaus verursachen Alterungsprozesse wie Farbzentrenbildung, Kompaktierung oder Schichtdegeneration und die damit verbundenen inhomogenen Veränderungen in den UV-Absorptionseigenschaften des Materials oder der Beschichtung der optischen Bauteile zusätzliche lokale Temperaturveränderungen.

Für den Hersteller von UV-Hochleistungslasersystemen ist dabei sowohl die Bewertung des zu erwartenden Einflusses thermischer Effekte auf die Abbildungsqualität in Abhängigkeit von Be-triebsparametern im Neuzustand (Bereitstellung entsprechender Parameter für die Optikkonstruk-tion, Qualitätskontrolle von Fremdteilen) als auch die Messung der alterungsbedingten Veränderungen (Kunden-Service) von großem Interesse.

Ziel des Projektes ist es, ein Messverfahren zur Bestimmung der UV-Absorption und des damit verbundenen Einflusses auf die Abbildungsqualität von optischen Elementen unter Einsatzbedingungen zu entwickeln und zu erproben.

Ein ganz wesentlicher und neuer Ansatz ist dabei das Ziel, Messungen an komplexen optischen Systemen direkt unter Einsatzbedingungen, d.h. über den gesamten optischen Abbildungsweg und unmittelbar mit dem Nutzsignal zu realisieren.

Die im aktuellen Projektverlauf erfolgreichste Variante ist ein System, bei dem die Deformation der Wellenfront mit Hilfe eines Hartmann-Shack-Wellenfrontsensors analysiert wird. Der Test-Laserstrahl einer fasergekoppelten Laserdiodenquelle (λ=670nm) wird mit dem Nutzstrahl in den Strahlengang über dichroitische Spiegel eingekoppelt. Die Auswertung erfolgt nach Auskopplung unmittelbar vor dem Target ebenfalls über einen dichroitischen Spiegel. Die Verzeichnung der Wellenfront des Testlasers ermöglicht die rückwärtige Bestimmung der Abbildungsfehler im Nutzsystem.

Alternativ wird in einer zweiten Variante der UV-Nutzstrahl unmittelbar zur Analyse eingesetzt. Dazu wird ein definierter Anteil der Nutzwellenfront unmittelbar vor dem Target ausgekoppelt und mit Hilfe des Wellenfrontsensors qualifiziert.

Entscheidend für den wirtschaftlichen Erfolg des Projektes sind Stabilität und Größe des Messsystems, da insbesondere diese Parameter wesentlich für die kostengünstige Integration in kommerzielle Laseranlagen sind.

Durch diese Integration können Messungen in Lasermikrobearbeitungsanlagen unter Einsatzbedingungen realisiert werden, ohne dass die optischen Komponenten für die Untersuchung aus der Anlage entfernt werden müssen, was eine dauerhafte Überwachung des Zustands der Optiken erlaubt.

Dies ermöglicht eine merklich gesteigerte Effizienz bei Serviceeinsätzen, da auf diese Weise alterungsbedingte Veränderungen von Komponenten und daraus resultierende negative Effekte auf die Abbildungseigenschaften und die Bearbeitungsqualität frühzeitig festgestellt und die entsprechenden Elemente gewechselt werden können.

Wenn bereits während der regulären Wartungstermine degradierte optische Komponenten vor einem kompletten Ausfall identifiziert und ausgetauscht werden können, lässt sich dadurch die Zahl der ungeplanten Service-Einsätze und damit die Zeit des Produktionsausfalls deutlich verringern. Auf diese Weise kann den Anwendern durch die reduzierten Servicekosten ein deutlicher Mehrwert geboten werden.

Beteiligte Projektpartner

Die Kompetenz der 3D-MICROMAC AG umfasst Serien- und Sondermaschinen für Mikrotechnologien und Mikrosystemtechnik mit Schwerpunkt Lasertechnik für Industrie und Forschung, Material- und Oberflächenbearbeitung, Technologie- und Verfahrensentwicklung, Excimerlaser für die Strukturierung in der Ophthalmik-Industrie, Prototypen- und Kleinstserienfertigung. Im Bereich der Ultrakurzpulslaser-Mikromaterialbearbeitung gehört die 3D-Micromac AG zu den Marktführern weltweit und auf dem Gebiet der UV-Excimer-Lasermikrobearbeitungsmaschinen zu den führenden Unternehmen in Deutschland. Neben dem Verkauf der Maschinen wird Lasermikrobearbeitung aber auch als Auftragsleistung für Kunden angeboten, bei denen die Stückzahlen für die Amortisation einer Mikrobearbeitungsanlage noch nicht ausreichen.