CN101801586B - 用于产生具有线形射束横截面的激光射束的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生具有线形射束横截面的激光射束的方法和装置，该线形射束横截面具有射束横截面长轴和射束横截面短轴并且具有在该长轴中至少200mm的延伸距离和在该短轴中至多800μm的延伸距离，其中，将从激光射束源射出的激光射束关于该长轴和该短轴分开地均匀化，其方式是激光射束不仅相对于该长轴而且相对于该短轴在分别产生一个焦平面的情况下均匀化，分别有多个由激光射束的射束横截面所分成的子射束聚焦到所述焦平面中，然后使所述子射束在形成一个在射束横截面中均匀化的激光射束的情况下聚集，激光射束至少关于该长轴经历远心成像，即关于该长轴均匀化的激光射束借助于聚光光学装置(LACL)这样成像，使得产生一个可分配给被成像的激光射束的光路，该光路由平行光的相对于传播方向纵向地取向的子射束构成。本发明的特征在于下列方法步骤：使在该短轴中均匀地聚集的射束横截面借助于用于产生均匀的像场(HFSA1)的第一聚光光学装置(SACL1)成像并且使第一光圈(P1)借助于第一场透镜光学装置(SAFL1)产生，关于该短轴分成的子射束聚焦到其中的焦平面成像到该第一场透镜光学装置中，使均匀的像场(HFSA1)借助于第二聚光光学装置(SACL2)成像到第二像场(HSFA2)中以及使该第一光圈(P1)借助于第二场透镜光学装置(SAFL2)成像到第二光圈(P2)中，该第二光圈相应于用于使激光射束远心成像到一个成像平面上的成像光学装置(p-lens SA)的入射光圈，关于该长轴均匀化的激光射束借助于该聚光光学装置(LACL)成像到该成像平面上。

Description

用于产生具有线形射束横截面的激光射束的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于产生具有线形射束横截面的激光射束的方法，该线形射束横截面具有射束横截面长轴和射束横截面短轴并且具有在该长轴中至少200mm的延伸距离和在该短轴中至多800μm的延伸距离，在该方法中，将从激光射束源射出的激光射束关于该长轴和该短轴分开地均匀化，其方式是激光射束不仅相对于该长轴而且相对于该短轴在分别产生一个焦平面的情况下均匀化，分别有多个由激光射束的射束横截面所分成的子射束聚焦到所述焦平面中，然后使所述子射束在形成一个在射束横截面中均匀化的激光射束的情况下聚集。激光射束至少关于该长轴远心成像，即关于该长轴均匀化的激光射束借助于聚光光学装置这样成像，使得产生一个可分配给被成像的激光射束的光路，该光路由平行光的相对于传播方向纵向地取向的子射束构成。

背景技术

上述类型的方法和装置长时间以来在基于TFT(thin film transistor)技术的平板显示器的工业制造中使用。可适用于此的措施之一是提供尽可能大面积的多晶硅层，另外，将多个阵列状地设置的薄层晶体管加工到该多晶硅层的基层上。为了制造多晶硅层，给衬底涂覆非晶硅，该非晶硅借助于激光支持的曝光方法通过受控制的局部的光感应的加热借助于短时间的熔融过程转换成多晶硅。对于文献所公知的这种曝光方法以公知方式使用受激准分子激光器例如XeCl激光器，这种受激准分子激光器能够发射紫外光谱范围内的光，该光由硅在很大程度上完全吸收，由此可实现导致非晶硅熔融的加热并且可实现非晶硅与此相联系地重结晶成多晶硅。在此意义下经常提到ELA方法(Excimer Laser Annealing)。为了短时间地借助于激光射束使熔融过程所需的能量密度到达覆有非晶硅层的衬底的表面并且同时也满足工业制造要求，被证实符合目的的是，使从受激准分子激光器射出的激光射束转变成具有线形射束横截面形状的激光射束，该线形射束横截面形状例如具有370mm的线长度和400μm的线宽度，该激光射束以所述形式以受控制的方式为了非晶硅层局部短时间熔融而在涂覆有非晶硅的整个衬底表上扫描或扫过。

特别有利的是，对于这种均匀的重结晶，需要相应成形的激光射束，该激光射束在光强度的分布方面不仅沿着矩形线形射束横截面的长轴而且沿着其短轴具有显著的均匀性。此外有利的是，射束轮廓关于光强度分布沿着短轴构造有在两侧大的边缘陡度，由此，关于射束横截面短轴，光强度尽可能接近可认为理想的矩形轮廓，即射束强度平稳段以平稳段值一直伸到侧面的边缘并且在边缘陡峭地下降。与此有关的现有技术的代表参考US 2005/0035103A1，在该文献中可获知关于ELA方法的当前现有技术的值得注意的资料汇编并且由该文献尤其是参照其图1描述了一种受激准分子激光器装置，该受激准分子激光器装置具有在光路中设置在后面的引导射束的以及也使射束成形的光学装置，该光学装置用于产生激光射束，该激光射束具有上述意义上的线形射束横截面。因此，远摄镜头装置协助使从受激准分子激光器射出的矩形射束横截面适配于在光路中处于后面的均匀器的输入孔径，该均匀器能够使在射束横截面中呈矩形的激光射束分开地相对于其射束横截面短轴以及射束横截面长轴分别关于光强度分布均匀化。首先，激光射束在此经过一个所谓的长轴均匀器，该长轴均匀器由彼此相对平行地取向的圆柱透镜的第一装置构成并且在光路中在该第一装置后面设置有彼此相对平行地设置的圆柱透镜的第二装置，其中，第一装置的圆柱透镜的焦点或焦线处于圆柱透镜装置的第一装置和第二装置之间。一个用于使在长轴中矩形地构造的射束横截面成像的聚光透镜在光路中设置在圆柱透镜装置后面。另外，在后面是一个短轴均匀器，该短轴均匀器也设置有分别彼此相对平行地设置的圆柱透镜的第一装置，在光路中其后面是彼此相对平行地定向的圆柱透镜的第二装置，其中，短轴均匀器的圆柱透镜的轴相对于长轴均匀器的圆柱透镜轴正交地取向。与长轴均匀器一样，在短轴均匀器中，圆柱透镜的第一装置的焦点或焦线也分别处于两个圆柱透镜装置之间。为了使在短轴中均匀化的射束横截面进一步成像，接着设置有一个聚光透镜以及一个场透镜，该聚光透镜和该场透镜使在短轴中均匀化的射束横截面成像到间隙透镜的区域中。最后，一个光学放大镜装置负责使射束横截面形状在短轴中缩小，最后，现在被构造成线形并且在射束横截面中均匀化的激光射束成像到涂覆有非晶硅的衬底表面上。与此相关的其它细节可从上述US2005/0035103A1中获知。另外，作为补充可提到文献US 2006/0209310A1和US 2007/0091978A1，在这些文献中也可获知用于在光学上使激光射束均匀化并且接着使激光射束转变成具有线形射束横截面的激光射束的实施例，但这些实施例相对于上述US 2005/0035103A1没有公开原则上的创新内容。

在使射束横截面的线形状沿着其长轴增大的努力中，最后也出于经济地借助于ELA方法处理覆有非晶硅层的尽可能大面积的衬底面的原因，程度越来越大地出现像场弯曲的问题，这种像场弯曲由于焦深不同而导致沿着激光线成像不清晰，其中，不清晰度随着图像中心到图像边沿区域的距离的增大而增大。此外，当成像系统的景深大致处于与通过像场弯曲尤其是在图像边沿区域中产生的、相对于图像中心中的焦点位置的焦点位置移动相比相同或较小的数量级时，这种成像缺陷越发显出后果。但如果在使激光射束沿着其长轴成像时利用远心成像，即可分配给激光射束的子射束在透过设置在长轴均匀器后面的聚光光学装置之后彼此相对平行地指向，则由于像场弯曲造成的关于长轴形成的看起来不利的成像缺陷可降低到最小程度。但用于实现具有典型地450mm及以上的线长度的大尺寸激光线的这种光学结构为了实现远心的成像光学装置而需要长轴均匀器与长轴聚光光学装置之间的大的距离。但这在激光射束沿着其短轴成像时提出了问题，但在激光射束的整个线长度上适于实现沿着短轴尽可能接近理想矩形轮廓的光强度分布，即实现具有尽可能确定的线半值宽度和显著的边缘陡度的轮廓。

发明内容

一种用于产生具有线形射束横截面的激光射束的方法，该线形射束横截面具有射束横截面长轴和射束横截面短轴并且具有在长轴中至少200mm、优选大于400mm的延伸距离和在短轴中至多800μm、优选400μm的延伸距离，在该方法中，将从激光射束源射出的激光射束关于长轴和短轴分开地均匀化，其方式是激光射束不仅相对于长轴而且相对于短轴在分别产生一个焦平面的情况下均匀化，分别有多个由激光射束的射束横截面所分成的子射束聚焦到所述焦平面中，然后使所述子射束在形成一个在射束横截面中均匀化的激光射束的情况下聚集，激光射束至少关于长轴经历远心成像，即关于长轴均匀化的激光射束借助于聚光光学装置这样成像，使得产生一个可分配给被成像的激光射束的光路，该光路由平行光的相对于传播方向纵向地取向的子射束构成，本发明的任务在于，这样进一步构造该方法，使得尽管成像距离大但射束轮廓仍可沿着短轴以尽可能清晰的矩形轮廓、即以尽可能显著的边缘陡度和确定的线半值宽度成像到成像平面上。尤其适于采取这样的光学措施：通过所述光学措施可进行射束轮廓关于短轴在边缘陡度和线半值宽度方面沿着线形激光射束横截面整个长度在很大程度上无关的变化。另外适于给出用于产生激光射束的满足上述要求的相应装置。

本发明所基于的任务的解决方案在权利要求1中描述。根据解决方案的装置是权利要求6的主题。从有利地进一步构造本发明构思的特征中尤其是参照实施例可获知从属权利要求以及进一步说明的主题。

根据解决方案，根据权利要求1前序部分特征的用于产生具有线形射束横截面的激光射束的方法的特征在于：在光路中为了在短轴中使激光射束横截面实现射束成形以及射束成像而进行至少两级的光学成像，通过该光学成像一方面可在空间上跨过短轴均匀器与优选存在设置有非晶硅层的衬底的成像平面之间的通过远心射束引导造成的长间距，通过该光学成像另一方面提供边缘陡度和线半值宽度的彼此无关的调解可能性。

根据解决方案，两级的成像通过两个在光路中彼此相继地设置的光学成像分支来实现，这些光学成像分支中的第一光学成像分支由短轴均匀器的圆柱透镜装置、后面的短轴聚光光学装置以及光路后面的短轴场透镜光学装置构成。在此，各个光学单元这样彼此相协调和设置，使得一方面短轴聚光光学装置产生均匀的像场，另一方面，后面的场透镜光学装置使在短轴均匀器的两个圆柱装置之间清晰成像的焦平面成像到第一光圈平面中，关于短轴所分成的子射束以线阵列的形式成像到该焦平面中。

在光路中设置在第一成像分支后面的第二成像分支使在均匀的第一分支的区域中产生的均匀的像场借助于第二聚光光学装置成像到均匀的第二像场中，其中，短轴均匀器的在第一光圈中成像的焦平面同时借助于第二场透镜光学装置成像到第二光圈中，该第二光圈相应于用于使激光射束远心成像到成像平面上的成像光学装置的入射光圈，关于长轴均匀化的激光射束同时也借助于长轴聚光光学装置成像到该成像平面上。由此，第二成像分支仅仅由一个短轴聚光光学装置和一个短轴场透镜光学装置构成。

已经众所周知的是，通过在分别具有一个聚光光学装置和一个场透镜光学装置的两个光学分支中分开成像而提供使短轴的射束轮廓关于边缘陡度和线半值宽度彼此分开地变化或有目的地最佳化的前提条件。如其它实施形式所指出的那样，这可通过轴向移动在光学成像分支中所属的各个聚光光学装置和/或场透镜光学装置来实现。为此，沿着包含成像分支的光学装置的转动至少对线半值宽度产生影响。

另外参照实施例描述解决方案以及沿着成像光路设置的光学元件的具体布置。

附图说明

下面在不限制本发明一般构思的情况下借助于实施例参照附图对本发明进行示例性描述。附图表示：

图1具有光学元件的光路，用于解释激光射束横截面关于短轴的成像，

图2具有光学元件的光路，用于描述激光射束关于长轴的成像，

图3a、3b  曲线图，用于解释边缘陡度以及线半值宽度关于短轴的分开的可调节性。

具体实施方式

图1中示出了光路，用于解释激光射束关于其短轴的射束成形和射束成像，其目的是产生线形射束横截面，该线形射束横截面具有线长度，即具有沿着长轴大于200mm、优选大于450mm的最大延伸距离，并且该线形射束横截面具有至多800μm、优选400μm的线宽度。图2仅仅示出了一个相对于根据图1的光路转过90°的视图，图2解释沿着长轴的射束成形。另外可同时参考两个图。

应该假设，从受激准分子激光器射出的激光射束L借助于合适的成像光学装置、例如远摄镜头而适配于均匀器H的输入孔径，该均匀器由一个长轴均匀器LAH和一个短轴均匀器SAH组成。

图1和图2中所示的光路在从左向右的射束方向上设置有属于所谓长轴均匀器的圆柱透镜装置LAH1和LAH2。所述圆柱透镜装置与长轴聚光透镜LACL一起形成一个远焦光学系统并且构成远心成像光学装置，该远心成像光学装置使在射束横截面长轴中均匀化的激光射束在透过长轴聚光透镜LACL之后纵向地平行于光轴并且在成像平面HFLA上产生一个在长轴中均匀化的像场，例如待曝光的涂覆有非晶硅的衬底设置在该成像平面中。另外，通过沿着长轴远心成像可使像场弯曲所造成的成像缺陷至少非常强地得到抑制。因此，使长轴聚光透镜LACL与由LAH2和LAH1组成的圆柱透镜装置隔开这样的距离，使得每个通过该长轴均匀器分开的子射束在聚光透镜后面形成平行的子射束，其中，全部平行的子射束在成像平面HFLA中重叠。

由于用于形成长轴的上述光学元件的所选择的光学焦距，所述距离d典型地取值为3米及以上的长度，也适于跨过一个使待在短轴中均匀化的射束横截面成像到成像平面HFLA上的、相对大的间距。为此，在光路中在长轴均匀器LAH后面设置所谓的短轴均匀器SAH，该短轴均匀器由一个第一圆柱透镜装置SAH1和一个第二圆柱透镜装置SAH2组成，其中，与长轴均匀器一样设置有一个处于两个圆柱透镜装置SAH1与SAH2之间的焦平面，呈点阵列或线阵列形式的、通过第一圆柱透镜装置SAH1分成子射束的短的射束横截面聚焦到该焦平面中。

在短轴均匀器后面设置一个短轴聚光透镜SACL1，通过该短轴聚光透镜产生一个沿着射束横截面短轴均匀地形成的像场HFSA1。均匀化的像场HFSA1在短轴中具有很大程度上矩形的射束轮廓，另外，该射束轮廓适于成像到成像平面HFLA中。在光路中在均匀化的像场HFSA1前面设置有短轴场透镜SAFL1，通过该短轴场透镜确定光圈P1，处于短轴均匀器的两个圆柱透镜装置SAH1与SAH2之间的焦平面清晰地成像到该光圈中。与在短轴中均匀化的激光射束轮廓的成像有关的上述光学部件即SAH1、SAH2、SACL1和SAFL1形成所谓的第一成像分支I，该第一成像分支用于产生均匀化的像场HFSA1。

在光路中紧接着连接在后面的第二光学成像分支II仅仅具有一个第二短轴聚光透镜SACL2和一个在光路中处于后面的第二短轴场透镜SAFL2。在此，第二短轴聚光透镜SACL2用于沿着光路在空间平面中使均匀的第一像场HFSA1成像以及使均匀的第二像场HFSA2产生，在该空间平面中优选安置狭缝形式的光阑装置。狭缝大小大多大于均匀的像场HFSA2的实际射束横截面。而第二短轴场透镜SAFL2使光圈P1成像到同时与成像光学装置p-lens SA的入射光圈相应的光圈P2中。典型地，该成像光学装置由缩小光学装置构成，通过该缩小光学装置，激光射束横截面的短轴例如缩小五倍地远心成像到成像平面HFLA上。

具有非常重要的意义的是，在上述两个光学成像分支I和II内部各设置一个聚光透镜和一个场透镜，由此提供可能性：在均匀的像场HFSA1或HFSA2内部在短轴中形成几乎矩形地构造的射束轮廓，这些射束轮廓的边缘陡度以及线半值宽度可彼此分开地被影响。因此可以说明，通过在第二成像分支内部沿着其光轴轴向移动场透镜位置、尤其是短轴场透镜SAFL2可实现在边缘陡度保持相同或几乎保持相同的情况下线半值宽度变化。这说明了图3a中所示的曲线图，沿着该曲线图的纵坐标绘制了光强度值并且沿着该曲线图的横坐标绘制了以mm为单位的偏移位移。曲线图中所示的三个曲线表示从正常位置1起在短轴场透镜SAFL2向右移动20mm(参见曲线2)以及向左移动20mm(参见曲线3，以正常位置为参考)的情况下的光轮廓。在此表明，尽管线半值宽度变化，但在全部三个位置中射束轮廓的边缘陡度在很大程度上保持相同。

据此，通过轴向移动短轴聚光透镜SACL2可改变边缘陡度，而线半值宽度保持恒定。这可由根据图3b的曲线图中获知，该曲线图的轴尺寸与根据图3a中的曲线图视图的轴尺寸相同。并且在此这三个不同的射束轮廓变化曲线的区别在于短轴聚光透镜2的不同轴向位置。

参考标号清单

LAH        长轴均匀器

LAH1        长轴均匀器的第一圆柱透镜装置

LAH2        长轴均匀器的第二圆柱透镜装置

SAH         短轴均匀器

SAH1        短轴均匀器的第一圆柱透镜装置

SAH2        短轴均匀器的第二圆柱透镜装置

SACL1       短轴聚光透镜

SAFL1       短轴场透镜

HFSA1       关于短轴的均匀的第一像场

P1          第一光圈

LACL        长轴聚光透镜

SACL2       短轴聚光透镜

SAFL1       短轴场透镜

HFSA2       关于短轴的均匀的第二像场

P2          第二光圈

p-lens SA   缩小光学装置

HFLA        成像平面

H           均匀器

Claims (10)

1.用于产生具有线形射束横截面的激光射束的方法，该线形射束横截面具有射束横截面长轴和射束横截面短轴并且具有在该长轴中至少200mm的延伸距离和在该短轴中至多800μm的延伸距离，在该方法中，将从激光射束源射出的激光射束关于该长轴和该短轴分开地均匀化，其方式是激光射束不仅相对于该长轴而且相对于该短轴在分别产生一个焦平面的情况下均匀化，分别有多个由激光射束的射束横截面所分成的子射束聚焦到所述焦平面中，然后使所述子射束在形成一个在射束横截面中均匀化的激光射束的情况下聚集，并且激光射束至少关于该长轴经历远心成像，即关于该长轴均匀化的激光射束借助于聚光光学装置（LACL）这样成像，使得产生一个可分配给被成像的激光射束的光路，该光路由平行光的相对于传播方向纵向地取向的子射束构成，其特征在于下列方法步骤：

-使在该短轴中均匀地聚集的射束横截面借助于用于产生均匀的像场（HFSA1）的第一聚光光学装置（SACL1）成像并且使第一光圈（P1）借助于第一场透镜光学装置（SAFL1）产生，关于该短轴分成的子射束聚焦到其中的焦平面成像到该第一场透镜光学装置中，以及

-使均匀的像场（HFSA1）借助于第二聚光光学装置（SACL2）成像到第二像场（HSFA2）中以及使该第一光圈（P1）借助于第二场透镜光学装置（SAFL2）成像到第二光圈（P2）中，该第二光圈相应于用于使激光射束远心成像到一个成像平面上的成像光学装置（p-lens SA）的入射光圈，关于该长轴均匀化的激光射束借助于该聚光光学装置（LACL）成像到该成像平面上。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：通过沿着射束方向轴向移动该第一聚光光学装置（SACL1）允许可分配给该短轴的边缘陡度变化，即变化平均射束平稳段的10～90%，而可分配给该短轴的线半值宽度不受影响。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：通过沿着射束方向轴向移动该第一场透镜光学装置（SAFL1）允许可分配给该短轴的线半值宽度变化，而可分配给该短轴的边缘陡度不受影响。

4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：产生具有线形射束横截面的激光射束，该线形射束横截面在该长轴具有至少450mm的延伸距离和在该短轴中至少100μm的延伸距离。

5.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：使该第二像场（HSFA2）在一个缝隙形式的光阑装置的区域中形成/产生。

6.用于产生具有线形射束横截面的激光射束的装置，该线形射束横截面具有射束横截面长轴和射束横截面短轴并且具有在该长轴中至少200mm的延伸距离和在该短轴中至多800μm的延伸距离，该装置具有发射激光射束的激光器，沿着该激光射束的射束方向设置有下列影响激光射束的部件：

-一个用于使激光射束的射束横截面宽度适配于在光路中处于后面的均匀器的输入孔径的伸缩式单元，该均匀器沿着射束横截面的长轴和短轴分开地进行激光射束的光强度分布的均匀化，

-一个用于使沿着该长轴均匀化的激光射束远心成像到一个成像平面上的远心的第一成像光学装置，以及

-一个用于使沿着短轴均匀化的激光射束成像到成像平面上的第二成像光学装置，

其特征在于：

所述用于使沿着该长轴均匀化的激光射束远心成像到一个成像平面上的远心的成像光学装置仅仅包括下列光学部件：关于该长轴设置的均匀光学装置（LAH1，LAH2）以及长轴聚光透镜（LACL），

该第二成像光学装置具有至少两个在射束方向上相继设置的光学装置对，这些光学装置对分别包括一个聚光光学装置和一个场透镜光学装置；射束方向上的第一光学装置对具有一个用于产生均匀的像场（HFSA1）的第一聚光光学装置（SACL1）和一个用于产生第一光圈（P1）的第一场透镜光学装置（SAFL1）；在射束方向上设置在该第一光学装置对后面的第二光学装置对具有一个用于使该均匀的像场（HFSA1）成像到均匀的第二像场（HSFA2）中的第二聚光光学装置（SACL2）以及一个用于使该第一光圈（P1）成像到第二光圈（P2）中的第二场透镜光学装置（SAFL2），该第二光圈相应于用于使激光射束远心成像到一个成像平面上的成像光学装置（p-lens SA）的入射光圈。

7.根据权利要求6的装置，其特征在于：该第一聚光光学装置（SACL1）和/或该第一场透镜光学装置（SAFL1）可在射束方向上受控制运动地设置。

8.根据权利要求6或7的装置，其特征在于：该第一聚光光学装置（SACL1）和/或该第一场透镜光学装置（SAFL1）可绕相对于射束方向正交地取向的轴受控制转动地设置。

9.根据权利要求6或7的装置，其特征在于：所述第一和第二聚光光学装置（SACL1，SACL2）分别构造成聚光透镜并且所述第一和第二场透镜光学装置（SAFL1，SAFL2）分别构造成场透镜。

10.根据权利要求6或7的装置，其特征在于：设置有一个在射束方向上安置在该成像平面前面的缝隙形式的光阑装置。

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