CN102053372A - 一种改进的光束匀化装置的研制 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种改进的光束匀化装置的研制，该装置可应用于激光退火或其他对光束有匀化要求的领域。其特征在于，通过引入预匀化环节、随机相位板以及透镜阵列和积分棒的有机结合，对光束进行多级匀化并消除相干性的影响，可以大大提高光束的匀化效果，同时又能够降低对透镜阵列的加工要求，节约成本。

Description

一种改进的光束匀化装置的研制

技术领域

本发明属于一种激光光束匀化装置，其对现有的光束匀化装置进行了一定的改进，适用于激光退火等激光加工领域或其他需要对激光束进行匀化的场合。

背景技术

在最近几十年中，集成电路制造遵循莫尔定律，经历了飞速的增长，集成电路的发展带动了整个电子产业的不断进步。电子产业的发展日新月异，已经成为了带动国家经济增大的一大引擎。不过由于集成电路制造精细度的不断提高，也带来了极小尺寸工艺技术方面的极大困难与挑战。

目前，极大规模集成电路制造已经进入了32nm及以下的阶段，对于32nm的技术节点而言，由于短沟道效应的影响，如果要继续得到性能不劣化的基础MOS器件，就要求NMOS管和PMOS管的源、漏的结深至少小于20nm，也就是提出了制作超浅结的要求。

由于氧化增强扩散与瞬时增强扩散以及固溶度的限制，传统的快速热退火(RTA)已很难满足制作超浅结的要求。为了解决这个问题，人们研究了一些新的退火技术来替代RTA，如：闪速灯光退火(Flash Lamp Annealing或FLA)、固相激光脉冲退火(Solid-Phase Laser Spike Annealing或LSA)、液相激光脉冲退火(Liquid-Phase Laser Thermal Process或LTP)，以及低温固相外延(Solid-Phase Epitaxial Recrystallization或SPER)等。其中，激光退火技术已经显示出了很好的应用前景。

但是目前常用的激光器发出的激光，其光强在截面上分布不均匀，一般在中间光强较大，边缘较小，因此在用于进行激光退火前，首先要对其进行匀化。一般目前常见的匀化方法是，首先使用柱面透镜阵列或其他形状的微透镜阵列对光束进行分割，然后再通过聚集透镜把各子光束会聚重叠到该透镜的焦平面上。

一个常见光学匀化系统参阅附图1。图1A为该匀化系统的主视图，图1B为俯视图。其中101为激光光源，102和103为球面凸透镜，它们两者的焦点重合，形成一个倒置的开普勒望远镜系统。104和105都为柱面透镜阵列，两者的参数相同，但是两者圆柱单元的母线布置方向相互垂直。106和107都为柱面透镜，两者圆柱母线布置方向也相互垂直，并且106和104的布置方向相匹配，107和105的布置方向相匹配，这样104、106和105、107这两组光学元件分别在两个相互垂直的方向上分别对光线起偏折作用，不相互干扰。108为得到的均匀能量分布光斑的所在平面。

参阅附图1，从激光源101发出的平行准直光通过球面透镜102会聚于其焦点处。由于球面透镜102和103的焦点重合，光束经过球面透镜103后形成截面扩大的准直平行光。该经过扩束后的准直平行光，被柱面透镜阵列104分割为多个子光束，并且在图1A所示的主视平面内形成向各个方向偏折的多组平行光。该多组平行光经柱面透镜106会聚叠加在108平面。同时，扩束后的准直平行光也被柱面透镜阵列105分割为多个子光束，并且在图1B所示的俯视平面内形成向各个方向偏折的多组平行光，这些平行光经柱面透镜107会聚也叠加在108平面。于是，最终在108平面形成了一个能量分布均匀的光斑。

这种方案有以下不足：

一是其最终的匀化效果在很大程度上取决于柱面透镜阵列104和105中柱面镜单元的数量，其柱面镜单元越多、排列越密集，则匀化效果越好。但是随着单元数量的增加，柱面透镜阵列的加工难度急剧增加，在实际中很难保证各单元透镜所应具有的曲率和表面精度。因此，受制于加工能力，难以得到具有极高能量分布均匀度的光斑。

二是若使用的是具有相干性的光源，由于相干性影响，容易在108平面形成散斑，从而削弱匀化的效果。

发明内容

本发明设计了一种改进的光束匀化装置来解决上述存在的问题，可以得到很好的匀化效果同时又不增加加工的难度。

附图说明

图1是一种常见的光学匀化系统示意图。

图2根据本发明的一个实施例的预匀化环节装置的示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的预匀化环节处理的效果示意图。

图4是一种改进的光束匀化设备的示意图。

101：激光光源                    102、103：球面凸透镜

104、105：柱面透镜阵列           106、107：柱面透镜

108：匀化面

201、206：偏振分光镜             202、205：全反射镜

203A、203B、204A、204B：三角棱镜

401：光源                        402：起偏器

403、405、409：球面凸透镜        404：随机相位板

406：预匀化环节        407：球面透镜阵列

408：积分棒            410：匀化光斑所在平面

具体实施方式

本发明的目的在于提出一种用于激光光束匀化的改进的光学装置，该装置可以用于激光退火设备或其他需要对光束进行匀化的场合，其关键点是在常见的光学匀化系统中加入预匀化环节，以及通过把不同类型的匀化原理方案的有机结合，不仅使得匀化系统中各光学元件的加工难度大大降低，而且能得到更好的匀化效果。

本发明提出的预匀化环节装置位于常见光学匀化系统之前，其对光束进行初步匀化后再进入后续光学系统得到进一步匀化。这样，通过多级匀化，最终得到均匀度极高的光斑，同时又降低了对加工能力的要求。

预匀化环节装置的原理示意图参阅附图2。图2A是其主视图，图2B是其俯视图，其中，201和206是偏振分光镜，202和205是全反射镜，203A、203B、204A、204B都为三角棱镜，且形成相互配合的两组：即203A、203B和204A、204B。上述两组三角棱镜的布置方向如图所示。

由于现有激光器输出的光束，其截面能量分布基本都是中间密度大，四周密度小，因此本发明提及的光源性质默认为这种中间大四周小能量密度分布形式。参阅图2，经过之前扩束系统扩束的平行准直光(同时是线偏振光)，经偏振分光镜的分光作用，一部分光直接透射，另一部分光通过反射偏折90°，后又经全反射镜202反射又偏折90°。这样就形成了如图所示的平行传播的上下两路光。其中上路光直接透过另一个偏振分光镜206；下路光经过两组三角棱镜203A、203B和204A、204B的偏折作用后，使得光束截面中央原先能量密度较高的部分转移到边缘，而原先边缘部分能量密度较低的转移的中央，其效果如图3所示。图3A表示三角棱镜203A前光束截面能量分布情况，图中箭头指示方向代表能量密度递减的方向；图3A表示原始光束截面中间能量密度较高而四周较低。图3B表示三角棱镜203B之后光束截面能量分布情况，图3C表示三角棱镜204B之后光束截面能量分布情况。下路的光束经过两组三角棱镜的偏折作用后，经过全反射镜205和偏振分光镜206的反射，与上路光束汇合，一起进入下一个匀化环节。图3D表示图3A和图3C叠加后的效果图，其代表上下两路光束在偏振分光镜206处汇合后、进入下一个匀化环节前的光束截面能量分布情况。由于上下两路光在截面处的能量密度分布具有一定的互补性，两者叠加后就能起到一定的预匀化作用。

以下结合附图及一个较佳实施例，对依据本发明提出的一种改进的光束匀化装置进行详细说明。

参阅附图4，它是改进的光束匀化装置的一个较佳实施例，图4A为主视图，图4B为俯视图，其中标号401为激光光源，402为起偏器，403、405、409为球面凸透镜，404为随机相位板，406表示前述提到的预匀化环节部分，其原理示意图参阅附图2，407为球面透镜阵列，408为积分棒，410代表得到的均匀光斑所在的平面。

从光源401发出的准直平行激光，经过起偏器402的作用成为线偏振光；若使用的光源产生的激光本身就是线偏振光，则不需要起偏器402。球面凸透镜403和405共焦布置，两者形成一个倒置的开普勒望远镜系统，起到扩束的作用。在球面透镜403和405之间、它们的焦点附近布置一个随机相位板404。随机相位板404的作用是降低光源相干性的影响，防止散斑的出现，提高最终匀化面410处的光斑能量均匀性。这样从光源发出的激光，经过起偏、扩束、消除相干性后，进入406。406表示前述的预匀化环节，其原理示意图参阅附图2。经过预匀化环节的作用后，激光光斑的能量分布均匀性有了一定程度的提高，并保持了平行准直的特点，然后激光又进入后续光学处理系统。407为球面透镜阵列，其一侧的表面为多个球面小透镜呈二维矩阵排列，另一侧表面为平面。入射的准直平行激光束被球面透镜阵列407分割为m×n个子光束，这里的m和n分别代表阵列中球面小透镜排列的行列数。每一个子光束，经过各球面小透镜的折射，会聚于各透镜的焦点处，而所有光束集合起来考虑则相当于产生了各个方向的多组平行光。在各球面小透镜的焦点附近都布置积分棒408，并使光束都耦合进入积分棒。进入积分棒的光束，经过在积分棒内部的多次全反射后在积分棒另一端出射。这样，相当于积分棒对每一个子光束都各自进行了一次匀化；另一方面看，通过积分棒的作用，原先各个球面小透镜焦点处的各个“点光源”被扩展成了“扩展光源”。最后，通过球面透镜409将各积分棒端面处出射的各组光线叠加会聚于其焦平面410处，并在410处形成一个能量均匀分布的光斑。

综上，通过加入预匀化环节以及透镜阵列和积分棒的有机结合使用，可以大大地提高匀化效果，并可减少透镜阵列中对细分数量的要求，降低加工难度。同时，通过加入随机相位板，可以降低光源的相干性，消除散斑对光束能量均匀度的不利影响。该改进的光束匀化装置相比其他常见的光束匀化系统可以具有更好的匀化效果，并且更容易加工实现，可以应用于激光退火等对光源有匀化要求的场合。

Claims (10)

1.用于光束匀化设备的预匀化环节装置，其特征在于包括：

第一偏振分光镜(201)，用于把入射激光束分成第一部分光和第二部分光，其中第一部分光直接透射通过所述第一偏振分光镜(201)，第二部分光被所述第一偏振分光镜(201)反射偏折；

光束能量匀化部分(203A、203B、204A、204B)，用于使所述第二部分光的光束截面中央原先能量密度较高的部分转移到边缘，而原先边缘部分能量密度较低的转移的中央，

一个第二偏振分光镜(206)，用于使经过所述光束能量匀化部分处理的所述第二部分光与所述第一部分光汇合。

2.根据权利要求1的预匀化环节装置，其特征在于进一步包括：

第一全反射镜(202)，用于偏折来自所述第一偏振分光镜(201)的所述第二部分光，

第二全反射镜(205)，用于把来自所述光束能量匀化部分的所述第二部分光偏折向所述第二偏振分光镜(206)。

3.根据权利要求1的预匀化环节装置，其特征在于所述光束能量匀化部分(203A、203B、204A、204B)包括：

第一对三角棱镜(203A、203B)；

与所述第一对三角棱镜交叉配置的第二对三角棱镜(204A、204B)。

4.根据权利要求3的预匀化环节装置，其特征在于

所述第一偏振分光镜(201)用于把第二部分光反射偏折90°，

第一全反射镜(202)用于把来自所述第一偏振分光镜(201)的所述第二部分光反射偏折90°，

第二全反射镜(205)用于把来自所述光束能量匀化部分的所述第二部分光反射偏折90°，

一个第二偏振分光镜(206)用于把来自第二全反射镜(205)的所述第二部分光反射偏折90°，

所述第二部分光经过所述第一对三角棱镜(203A、203B)与所述第二对三角棱镜(204A、204B)的偏折作用后，所述第二部分光的光束截面中央原先能量密度较高的部分转移到边缘，而原先边缘部分能量密度较低的转移的中央。

5.用于光束匀化设备的预匀化方法，其特征在于包括：

入射激光束分光步骤，把入射激光束分成第一部分光和第二部分光，其中第一部分光沿着所述入射激光束的方向，第二部分光被偏折一定角度；

光束能量匀化步骤，使所述第二部分光的光束截面中央原先能量密度较高的部分转移到边缘，而原先边缘部分能量密度较低的转移的中央，

光束汇合步骤，使经过所述光束能量匀化步骤处理的所述第二部分光与所述第一部分光汇合。

6.根据权利要求5的预匀化方法，其特征在于进一步包括：

偏折来自所述第一偏振分光镜(201)的所述第二部分光，

把经过所述光束能量匀化步骤处理的所述第二部分光偏折向所述第二偏振分光镜(206)。

7.根据权利要求5的预匀化方法，其特征在于所述方法是利用第一对三角棱镜(203A、203B)和与所述第一对三角棱镜交叉配置的第二对三角棱镜(204A、204B)实现的。

8.根据权利要求7的预匀化方法，其特征在于

在所述入射激光束分光步骤用第一偏振分光镜(201)用于把第二部分光反射偏折90°，

把来自所述第一偏振分光镜(201)的所述第二部分光反射偏折90°，

把经过所述光束能量匀化步骤处理的所述第二部分光反射偏折90°，

在所述光束汇合步骤用第二偏振分光镜(206)把所述第二部分光反射偏折90°，

其中在所述光束能量匀化步骤中，所述第二部分光经过所述第一对三角棱镜(203A、203B)与所述第二对三角棱镜(204A、204B)的偏折作用后，所述第二部分光的光束截面中央原先能量密度较高的部分转移到边缘，而原先边缘部分能量密度较低的转移的中央。

9.一种光束匀化设备，其特征在于包括：由起偏器、扩束系统、预匀化环节装置、后续匀化环节装置，其中：

起偏器用于光源发出的激光为非线偏振光的情况，若激光为线偏振光，可以不使用起偏器；

扩束系统由两个共焦的球面透镜组成，两者呈一个倒置的开普勒望远镜系统布置，并且在其共焦点附近布置一个随机相位板；

后续匀化环节包含球面透镜阵列、积分棒和球面透镜，

其特征在于所述预匀化环节装置如权利要求1至4中的任何一项所述。

10.根据权利要求9所述的光束匀化设备，其特征在于：

所述入射激光束为平行准直光，

所述起偏器被设置在所述预匀化环节装置的上游，

所述后续匀化环节中，透镜阵列中每一小透镜的参数应相同，

透镜阵列与积分棒耦合，使得各子光束的光都进入积分棒，同时积分棒的数量应与透镜阵列中小透镜的数量相同，

球面透镜的口径应足够大，使得积分棒出射所有光线都能被其会聚叠加到匀化面。

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