CN112305771A - 利用棱镜的激光束均化器及包括其的激光热处理装置 - Google Patents
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Abstract
公开了利用棱镜的激光束均化器及包括其的激光热处理装置，激光束均化器包括对输入的激光束的行进方向进行变更的棱镜。所述棱镜包括：分离面，将输入的所述激光束分离成向与所述激光束的行进方向垂直的方向行进的反射成分和向所述棱镜内部进入的折射成分；以及至少两个以上的内部反射面，在内部反射所述折射成分。所述激光束均化器输出包括第一成分和第二成分的激光束，所述第一成分定义为所述反射成分，所述第二成分在所述内部反射面反射后通过所述分离面放射并跟随所述第一成分的路径，所述第二成分具有与所述第一成分的强度模式相比针对第一轴翻转的强度模式。
Description
技术领域
本公开涉及一种激光束均化器，更详细地，涉及一种利用棱镜的激光束均化器及包括其的激光热处理装置。
背景技术
一般而言，液晶显示装置、有机发光显示装置等之类的显示装置的像素阵列通过薄膜晶体管驱动。例如，所述薄膜晶体管的沟道可以包括多晶硅。
多晶硅可以通过对非晶硅进行利用激光等的热处理来得到，为了得到高品质的多晶硅薄膜，照射的激光的均匀度重要。
为了提高激光的均匀度并形成线图像，使用激光束均化器，并且正在开发用于对散斑(speckle)等之类的干涉效果引起的高频噪音进行过滤的技术。
发明内容
本公开的一目的在于提供一种改善激光束的均匀度并能够过滤高阶特殊频率噪音的激光束均化器。
本公开的其它目的在于提供一种包括所述激光束均化器的激光热处理装置。
为了达到前述的本公开的目的，根据本公开的例示性实施例的激光束均化器包括对输入的激光束的行进方向进行变更的棱镜。所述棱镜包括：分离面，将输入的所述激光束分离成向与所述激光束的行进方向垂直的方向行进的反射成分和向所述棱镜内部进入的折射成分；以及至少两个以上的内部反射面，在内部反射所述折射成分。所述激光束均化器输出包括第一成分和第二成分的激光束，所述第一成分定义为所述反射成分，所述第二成分在所述内部反射面反射后通过所述分离面放射并跟随所述第一成分的路径，所述第二成分具有与所述第一成分的强度模式相比针对第一轴翻转的强度模式。
根据一实施例，所述折射成分包括P偏振光成分，所述反射成分包括S偏振光成分。
根据一实施例，所述折射成分包括S偏振光成分，所述反射成分包括P偏振光成分。
根据一实施例，输出的所述激光束具有与输入的所述激光束相同的大小、发散及激光束质量因子。
根据一实施例，在所述棱镜中，所述分离面和第一内部反射面的夹角Ω1、所述第一内部反射面和第二内部反射面的夹角Ω2及所述第二内部反射面和所述分离面的夹角Ω3基于下面的式1至式4，
[式1]
Ω1＝β+θ
Ω2＝θ+ξ
Ω3＝β+ξ
[式2]
[式3]
[式4]
在式2中，n是棱镜的折射率，在式4中，va是在所述分离面与所述第一内部反射面之间主光线移动的距离，vb是在所述分离面与所述第二内部反射面之间主光线移动的距离。
根据一实施例，所述激光束对所述分离面的入射角是45度。
根据一实施例，所述棱镜还包括结合于所述分离面并具有金属氧化物的多层结构的镀层。
根据一实施例，所述镀层具有33％至34％的反射率。
根据一实施例，所述棱镜包括：第一棱镜，输出包括所述第一成分和所述第二成分的第一输出激光束；以及第二棱镜，具有与所述第一棱镜的延伸轴垂直的延伸轴，并将所述第一输出激光束转换为第二输出激光束。
根据一实施例，所述第二棱镜将所述第一输出激光束的所述第一成分和所述第二成分反射及折射而生成第三成分和第四成分，所述第三成分具有与所述第一成分的强度模式相比针对与所述第一轴垂直的第二轴翻转的强度模式，所述第四成分具有与所述第二成分的强度模式相比针对所述第二轴翻转的强度模式。
根据一实施例，所述激光束包括从由准分子激光器、YAG激光器、玻璃激光器、YVO4激光器、Ar激光器构成的群中选择的至少一个。
(发明的效果)
根据本公开的例示性实施例，在实质上相同地保持输入光束的大小、发散、激光束质量因子(M2)等之类的性质的同时，能够过滤高功率激光的高阶特殊频率(high orderspecial frequencies)。
因此，在使激光束均化器或包括其的光学系统的结构不复杂的同时，能够有效地将激光束均匀化。
附图说明
图1是根据本公开的一实施例的激光束均化器的侧视图。
图2是根据本公开的一实施例的激光束均化器的立体图。
图3是示出利用图2的激光束均化器而形成的成分的强度模式的示意图。
图4是简要示出根据本公开的一实施例的激光热处理装置的示意图。
图5是简要示出根据本公开的一实施例的激光热处理装置的光学系统的示意图。
图6a是展示输入光束的强度分布模式的图像。
图6b是展示透过实施例1的第一棱镜的输出光束的强度分布模式的图像。
图6c是展示透过实施例1的第一棱镜和第二棱镜的输出光束的强度分布模式的图像。
图7a是图6a的输入光束的截面强度分布曲线图。
图7b是图6c的输出光束的截面强度分布曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图，对根据本公开的例示性实施例的激光束均化器及包括其的激光热处理装置进行详细说明。
图1是根据本公开的一实施例的激光束均化器的侧视图。
参照图1，激光束均化器包括具有将输入光束IB分离成两个成分的分离面(splitting facet)110的棱镜100。所述激光束均化器能够过滤输入光束IB的高阶频率噪音。例如，所述输入光束IB可以具有包括噪音模式NP的强度模式，箭头可以表示所述噪音模式NP的方向。
根据一实施例，所述输入光束IB在所述分离面110反射及折射而分离成多个成分。根据一实施例，所述输入光束IB可以在所述分离面110分离成反射成分和折射成分。所述棱镜100可以包括将所述折射成分在内部反射的至少两个以上的内部反射面(internalreflecting facet)。
例如，所述输入光束IB可以在所述分离面110偏振分离。在一实施例中，可以为反射成分是P偏振光，所述折射成分是S偏振光。在其它实施例中，可以为所述反射成分是S偏振光，所述折射成分是P偏振光。
所述反射成分可以定义为在所述分离面110反射而向与所述输入光束IB的行进方向D1垂直的方向D2行进的第一成分R1。所述第一成分R1通过反射而翻转。因此，所述第一成分R1的强度模式可以具有与所述输入光束IB的强度模式针对一轴翻转的形状。
所述折射成分在所述分离面110折射而向所述棱镜100内部入射。所述折射成分在第一内部反射面120及第二内部反射面130分别反射后，入射到所述分离面110。
入射到所述分离面110的光进行反射及折射而分离成多个成分。从所述棱镜100内部入射到所述分离面110的光的一成分被折射而通过所述分离面110放射。通过所述分离面110放射的光可以定义为第二成分R2。所述第二成分R2在所述第一内部反射面120及第二内部反射面130反射，所述第二成分R2的强度模式可以具有与所述输入光束IB的强度模式相同的形状。因此，所述第二成分R2的强度模式可以具有与所述第一成分R1的强度模式针对一轴翻转的形状。
从所述棱镜100内部入射到所述分离面110的光的其它成分可以在所述分离面110再次反射。在所述分离面110反射的成分可以在所述第一内部反射面120及第二内部反射面130反射而再次向所述分离面110入射。即，向所述棱镜100内部进入的折射成分可以在所述分离面100反复地射出及反射。
被所述棱镜100反射或放射的输出光束OB可以定义为所述第一成分R1和所述第二成分R2合成的光束。
所述第二成分R2沿所述第一成分R1的路径向与所述第一成分R1相同的方向行进。因此，所述输出光束OB可以具有与所述输入光束IB实质上相同的大小、发散及激光束质量因子(M2)。
另外，随着所述第二成分R2的强度模式具有与所述第一成分R1的强度模式针对一轴翻转的形状，通过模糊(blurring)，所述输出光束OB可以具有噪音减少并均匀度改善的强度模式。
以下，可以是所述输入光束IB的行进方向D1称为第一方向，所述输出光束OB的行进方向D2称为第二方向。
为了所述输出光束OB具有与输入光束IB实质上相同的大小、发散及激光束质量因子(M2)，并具有均匀度比所述输入光束IB改善的强度模式，所述棱镜100可以基于下面的条件设计。
所述棱镜100的分离面110和第一内部反射面120的夹角Ω1、所述第一内部反射面120和所述第二内部反射面130的夹角Ω2及所述第二内部反射面130和所述分离面110的夹角Ω3可以通过下面的式1至式4而得到。
[式1]
Ω1＝β+θ
Ω2＝θ+ξ
Ω3＝β+ξ
[式2]
[式3]
[式4]
在式2中，n是棱镜100的折射率。
在式4中，va是在分离面110与第一内部反射面120之间主光线移动的距离，vb是在分离面110与第二内部反射面130之间主光线移动的距离。例如，va及vb可以考虑输入光束IB的大小、形状及棱镜设计的结构性限制来选择或者计算。
在所述反射面120、130表示主光线的坐标的(xa，ya)、(xb，yb)可以是在所述分离面110将主光线的坐标假设为(0,0)而得到的。
在上述的条件中，所述输入光束IB对所述分离面110的入射角可以是约45度。
例如，所述棱镜100可以无限制地使用对所述输入光束IB具有透光性及稳定性的透明物质。可以包括玻璃、石英、石英玻璃、氟化镁(MgF2)、氟化钙(CaF2)、氟化钡(BaF2)、氟化锂(LiF)等。
所述棱镜100的分离面110可以具有用于分离所述输入光束IB的镀层。例如，所述镀层可以具有介电材料的多层结构。例如，所述镀层可以具有氟化镁、氧化钇、氧化锆、氧化钛等之类的金属氧化物的多层结构。所述镀层的材料和厚度可以设计成能够对所述输入光束IB具有恰当的反射率。
根据一实施例，所述棱镜100的分离面110对所述输入光束IB的反射率可以是约33％至34％。在所述分离面110的反射率近似于1/3的情况下，从所述输入光束IB在所述分离面110反射的第一成分R1可以具有输入光束IB的1/3的强度。另外，在所述棱镜100中内部反射后，通过所述分离面110放射的第二成分R2对应于所述折射成分的1/2，因此可以具有所述输入光束IB的1/3的强度。
因此，随着所述第一成分R1与所述第二成分R2的强度实质上变得相同，输出光束OB的均匀度能够提高。
图2是根据本公开的一实施例的激光束均化器的立体图。图3是示出利用图2的激光束均化器而形成的成分的强度模式的示意图。
参照图2，激光束均化器可以包括两个棱镜。例如，所述激光束均化器可以包括第一棱镜100及第二棱镜200。
所述第一棱镜100具有与已说明的图1中示出的棱镜100相同的结构。
从所述第一棱镜100输出的第一输出光束OB1具有与输入光束IB实质上相同的大小、发散及激光束质量因子(M2)，并具有向第一轴方向均匀度改善的强度模式。
所述第一输出光束OB1入射到所述第二棱镜200。所述第二棱镜200具有对入射的第一输出光束OB1进行分离而反射及折射的分离面210。
在所述分离面210反射的成分可以定义为向与所述第一输出光束OB1的行进方向D2垂直的方向D3行进的第一成分。
在所述分离面210折射的成分向所述第二棱镜200内部入射，所述折射成分在第一内部反射面220及第二内部反射面230分别反射后，入射到所述分离面210。
从所述第二棱镜200内部入射到所述分离面210的光的一部分折射而通过所述分离面210放射。通过所述分离面210放射的光可以定义为第二成分。
为了包括所述第一成分和所述第二成分的第二输出光束OB2具有与所述第一输出光束OB1实质上相同的大小、发散及激光束质量因子(M2)，并具有向与所述第一轴方向垂直的第二轴方向均匀度改善的强度模式，所述第二棱镜200可以配置成具有与所述第一棱镜100的延伸轴垂直的延伸轴，并设计成具有以满足式1至式4的方式得到的内角。
根据一实施例，分离入射到激光束均化器的输入光束，从而能够合成具有针对多个轴翻转的强度模式的成分。由此，输出光束的均匀度能够进一步提高。
例如，参照图3，输入光束IB可以具有具有与噪音模式NP对应的高强度峰值的强度模式。NA可以表示噪音模式NP的方向。
在第一棱镜100反射而从所述输入光束IB分离的第一成分R1具有与所述输入光束IB相比针对第一轴翻转的强度模式。从所述第一棱镜100内部放射的第二成分R2具有与所述输入光束IB相同的强度模式。包括所述第一成分R1和所述第二成分R2的第一输出光束OB1向第二棱镜200入射。
所述第一成分R1的一部分在所述第二棱镜200反射而形成第三成分R3。所述第三成分R3具有与所述第一成分R1相比针对与所述第一轴垂直的第二轴翻转的强度模式。所述第一成分R1的一部分在所述第二棱镜200内部反射后通过所述分离面210放射，所述放射的成分具有与所述第一成分R1相同的强度模式。
所述第二成分R2的一部分在所述第二棱镜200反射而形成第四成分R4。所述第四成分R4具有与所述第二成分R2相比针对所述第二轴翻转的强度模式。所述第二成分R2的一部分在所述第二棱镜200内部反射后通过所述分离面210放射，所述放射的成分具有与所述第二成分R2相同的强度模式。
因此，与所述输入光束IB相比，在所述第二输出光束OB2中峰值的强度减少到1/4，噪音模式可以变得模糊。因此，所述第二输出光束OB2能够比所述第一输出光束OB1进一步更加改善均匀度。
根据一实施例，所述第二棱镜200是输入的光束的形状、主光线的移动距离等与第一棱镜100不同，因此可以设计成具有不同内角。
另外，根据本公开的实施例的激光束均化器根据需要也可以包括三个以上的棱镜，可以与用于变更光路径的镜部件等组合使用。
激光热处理装置
图4是简要示出根据本公开的一实施例的激光热处理装置的示意图。图5是简要示出根据本公开的一实施例的激光热处理装置的光学系统的示意图。
参照图4，激光热处理装置包括光源10及将从所述光源10生成的输入光束IB转换成输出光束OB的光学系统20。从所述光学系统20射出的输出光束OB向布置在工作台30上的对象基板32照射。
例如，所述输入光束IB可以从准分子激光器、YAG激光器、玻璃激光器、YVO4激光器、Ar激光器等产生。根据一实施例，所述输入光束IB可以是准分子激光。准分子激光可以根据气体种类输出彼此不同波长的激光束。例如，可以是ArF准分子激光具有193nm波长，KrF准分子激光具有248nm波长，XeCl准分子激光具有308nm波长，XeF准分子激光具有351nm波长。
例如，所述输入光束IB可以包括线偏振的光。根据一实施例，所述输入光束IB可以包括S偏振光成分和P偏振光成分。
所述激光热处理装置可以使用于硅的热处理。例如，所述对象基板32可以包括非晶硅层。例如，所述非晶硅层可以通过化学蒸镀法、喷镀法、真空蒸镀法等形成。所述非晶硅层通过被照射的输出光束而热处理并结晶化，从而能够形成多晶硅层。
所述光学系统20转换输入光束IB的大小、强度分布等之类的性质而生成输出光束OB。例如，所述输入光束IB的强度分布可以具有高斯分布，所述光学系统20能够将所述输入光束IB改性而输出具有平顶(flat top)或超高斯分布的输出光束。
根据一实施例，所述光学系统20包括光束均匀化部。所述光束均匀化部可以与其它光学手段组合使用。
例如，如图5所示，所述光学系统20可以包括第一光束均匀化部100、光束扩展部300、第二光束均匀化部400及向场(field)透镜500。
所述第一光束均匀化部100可以与参照图1说明的激光束均化器相同。例如，所述第一光束均匀化部100包括具有将输入光束IB分割成两个成分的分离面的棱镜。所述第一光束均匀化部100能够过滤输入光束IB的高阶频率噪音。在其它实施例中，所述第一光束均匀化部100也可以包括图2中示出的两个棱镜。
通过所述第一光束均匀化部100均匀化的激光束可以通过所述光束扩展部300扩展。例如，所述光束扩展部300可以包括第一长焦距透镜310及第二长焦距透镜320。
例如，所述第一长焦距透镜310可以具有沿一轴鼓起的入射面和平坦的射出面。所述第二长焦距透镜320可以具有平坦的入射面和沿所述一轴鼓起的射出面。
入射到所述第一长焦距透镜310的激光束折射并在焦点集束后分散。入射到所述第二长焦距透镜320的光束准直成与激光束的光轴方向平行。从所述第二长焦距透镜320输出的光束可以比入射到所述第一长焦距透镜310的光束向所述一轴方向扩展。
例如，从所述光束扩展部300中输出的光束可以向长轴方向扩展。但是，本公开的实施例不限于此，所述光束扩展部300可以将入射的光束向长轴方向及短轴方向扩展。为此，所述光束扩展部300可以还包括一个以上长焦距透镜。
从所述光束扩展部300输出的光束可以在所述第二光束均匀化部400均匀化。例如，所述第二光束均匀化部400可以具有基于科勒(Kohler)积分公式(integrator scheme)的结构。例如，所述第二光束均匀化部400可以包括圆筒形透镜(cylindrical lens)、蝇眼透镜(fly’s eye lens)等之类的微小透镜阵列。
根据一实施例，所述第二光束均匀化部400可以包括第一微透镜阵列410及第二微透镜阵列420。例如，所述第一微透镜阵列410及所述第二微透镜阵列420分别可以包括具有鼓起的入射面或射出面并沿一轴排列的多个圆筒形透镜。
入射到所述第二光束均匀化部400的光束通过所述第一微透镜阵列410及所述第二微透镜阵列420折射及分割，能够均匀化。
例如，所述第二光束均匀化部400可以将入射的光束向长轴方向均匀化。但是，本公开的实施例不限于此，所述第二光束均匀化部400可以将入射的光束向长轴方向及短轴方向均匀化。为此，所述第二光束均匀化部400可以进一步包括一个以上的微透镜阵列。另外，所述第二光束均匀化部400可以还包括用于将在均匀化过程中发散的光准直化的透镜。
所述扩展并均匀化的光束通过所述向场透镜500集束并重叠而能够向目标600的面照射。例如，所述目标600可以是用于热处理的对象基板，但本公开的实施例不限于此。例如，所述目标600也可以是用于变更光路径或改性光束特性的其它光学手段。
在上述中，对包括包含第一光束均匀化部、光束扩展部、第二光束均匀化部的光学系统的激光热处理装置进行了说明，但这是例示性的，根据本公开的实施例的均化器可以适用于利用需要均化器的公知的各种光学系统及所述光学系统的各种装置。
以下，通过具体实施例来查看本公开的实施例的效果。
实施例1
将用于长轴方向长度为50mm、短轴方向长度为20mm的激光束(308nm)的、用石英玻璃(对308nm光的折射率：1.4856)制造的棱镜如下设计。
在长轴将在用于制造翻转的成分的第一棱镜中主光线的移动距离va及vb分别假设为53mm及64mm，根据式1至式4进行了计算。所述第一棱镜的分离面和第一内部反射面的夹角Ω1、所述第一内部反射面和第二内部反射面的夹角Ω2及所述第二内部反射面和所述分离面的夹角Ω3分别为64.14°、61.58°及54.28°。另外，在所述第一棱镜的反射面，主光线的坐标(xa，ya)、(xb，yb)分别为(50.80,-15.12)及(18.26,-61.34)。
通过如上的方式，在短轴将在用于制造翻转的成分的第二棱镜中主光线的移动距离va及vb分别假设为19.5mm及18mm，并计算第二棱镜的形状的结果，所述第二棱镜的分离面和第一内部反射面的夹角Ω1、所述第一内部反射面和第二内部反射面的夹角Ω2及所述第二内部反射面和所述分离面的夹角Ω3分别为57.10°、61.58°及61.32°。另外，在所述第二棱镜的反射面，主光线的坐标(xa，ya)、(xb，yb)分别为(18.69,-5.56)及(5.14,-17.25)。
图6a是展示输入光束的强度分布模式的图像。图6b是展示透过实施例1的第一棱镜的输出光束的强度分布模式的图像。图6c是展示透过实施例1的第一棱镜和第二棱镜的输出光束的强度分布模式的图像。
图7a是图6a的输入光束的截面强度分布曲线图，图7b是图6c的输出光束的截面强度分布曲线图。
参照图6a至图6c，通过第一棱镜，光束的峰值强度从232mJ/cm2减少为229mJ/cm2，通过第二棱镜减少为183mJ/cm2。因此可知，如图2所示，通过连续性配置的棱镜，重叠以不同轴翻转的成分，从而能够将峰值强度减少20％以上。另外，这种效果通过图7a及图7b能够确认。
如上所述，参照本公开的例示性实施例进行了说明，但所属技术领域中具有通常知识的人员应理解在不脱离下述的权利要求书中记载的本公开的思想及领域的范围内能够对本公开进行多种修改及变更。
(产业上利用可能性)
本公开可以使用于包括将激光均匀化的光学系统的各种热处理装置、照明装置、光学装置等。
Claims (10)
1.一种激光束均化器，其特征在于，包括对输入的激光束的行进方向进行变更的棱镜，
所述棱镜包括：
分离面，将输入的所述激光束分离成向与所述激光束的行进方向垂直的方向行进的反射成分和向所述棱镜内部进入的折射成分；以及
两个以上的内部反射面，在内部反射所述折射成分，
所述激光束均化器输出包括第一成分和第二成分的激光束，所述第一成分定义为所述反射成分，所述第二成分在所述内部反射面反射后通过所述分离面放射并跟随所述第一成分的路径，所述第二成分具有与所述第一成分的强度模式相比针对第一轴翻转的强度模式。
2.根据权利要求1所述的激光束均化器，其特征在于，
所述折射成分包括P偏振光成分，所述反射成分包括S偏振光成分。
3.根据权利要求1所述的激光束均化器，其特征在于，
所述折射成分包括S偏振光成分，所述反射成分包括P偏振光成分。
4.根据权利要求1所述的激光束均化器，其特征在于，
输出的所述激光束具有与输入的所述激光束相同的大小、发散及激光束质量因子。
5.根据权利要求1所述的激光束均化器，其特征在于，
在所述棱镜中，所述分离面和第一内部反射面的夹角Ω1、所述第一内部反射面和第二内部反射面的夹角Ω2及所述第二内部反射面和所述分离面的夹角Ω3基于下面的式1至式4，
[式1]
Ω1＝β+θ
Ω2＝θ+ξ
Ω3＝β+ξ
[式2]
[式3]
[式4]
在式2中，n是棱镜的折射率，在式4中，va是在所述分离面与所述第一内部反射面之间主光线移动的距离，vb是在所述分离面与所述第二内部反射面之间主光线移动的距离。
6.根据权利要求5所述的激光束均化器，其特征在于，
所述激光束对所述分离面的入射角是45度。
7.根据权利要求1所述的激光束均化器，其特征在于，
所述棱镜还包括结合于所述分离面并具有金属氧化物的多层结构的镀层。
8.根据权利要求7所述的激光束均化器，其特征在于，
所述镀层具有33％至34％的反射率。
9.根据权利要求1所述的激光束均化器，其特征在于，
所述棱镜包括：
第一棱镜，输出包括所述第一成分和所述第二成分的第一输出激光束；以及
第二棱镜，具有与所述第一棱镜的延伸轴垂直的延伸轴，并将所述第一输出激光束转换为第二输出激光束。
10.根据权利要求9所述的激光束均化器，其特征在于，
所述第二棱镜将所述第一输出激光束的所述第一成分和所述第二成分反射及折射而生成第三成分和第四成分，所述第三成分具有与所述第一成分的强度模式相比针对与所述第一轴垂直的第二轴翻转的强度模式，所述第四成分具有与所述第二成分的强度模式相比针对所述第二轴翻转的强度模式。
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