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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Umwandeln der Intensitätsverteilung
eines Laserstrahls, wobei die Vorrichtung insbesondere geeignet ist
zum Erzeugen eines Laserstrahls mit einer Intensität, die längst einer
Querachse von einer Seite zur anderen Seite des Strahls beständig abfällt.
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Unter beständigem Abfall (bzw. beständigem Steigen)
der Intensität
ist in der vorliegenden Anmeldung nicht ein mathematisch gesehen
streng monotoner Abfall (bzw. monotones Ansteigen) zu sehen, sondern
eine Veränderung
der Intensität
in einem so großen
Maßstab,
wie er für
die Verwendung des Laserstrahls technisch von Bedeutung ist, d.
h. es kann Intensitätsschwankungen über kleinere
Bereiche hinweg geben, die aber bei der Anwendung des Laserstrahls
im technischen Ergebnis keine Rolle spielen und nichts an der Grundtendenz
der Veränderung
der Intensitätsverteilung ändern.
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Bei zahlreichen Anwendungen von Lasern ist
es wünschenswert,
einen Laserstrahl einzusetzen, der eine inhomogene Strahlverteilung
hat. Beispielsweise kann man Laser für die Rekristallisierung von
amorphen Si-Schichten einsetzen, indem man Substrate mit diesen
Schichten mit einem Laserstrahl abfährt. Dabei hat es sich als
vorteilhaft für
eine homogene Rekristallisierung erwiesen, wenn die beim Abfahren
vorauslaufende Kante des Laserstrahls eine Intensitätsüberhöhung gegenüber dem
nachfolgenden Teil des Laserstrahls aufweist.
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Im Stand der Technik ist es bekannt,
zum Steuern der Intensitätsverteilung
eines Laserstrahls Teile desselben auszublenden. Beispielsweise
ist aus der
DE 199 15 000 eine
Vorrichtung bekannt, bei der Teilstrahlen des Laserstrahls so einander überlagert
werden, daß an
sich eine Homogenisierung der Intensitätsverteilung des Laserstrahls
gefördert
wird, daß aber
eine Blende im Strahlengang des Laserstrahls bei den nicht vollständig einander überlagerten
Teilstrahlen unterschiedliche Anteile ausblendet. Beim Ausblenden
von Teilen des Laserstrahls geht stets Laserstrahlleistung verloren.
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Die
DE 199 15 000 A1 zeigt eine Vorrichtung zum
Steuern der Intensitätsverteilung
eines Laserstrahls mit einem Homogenisieren. Durch Anordnung einer
Blende an einer bestimmten Stelle im Strahlengang wird Strahlung
aus sich überlagernden
Teilstrahlen unterschiedlich ausgeblendet. Mit dieser Anordnung
werden Intensitätsverteilungen
im Querschnitt des Laserstrahls erzeugt, die in Bezug auf die Laserstrahlachse
symmetrisch sind.
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Die WO 95/18984 A1 zeigt eine Anordnung, mit
der ein Laserstrahl mit einer Gauss-Verteilung so umgewandelt wird, dass über einen
rechteckigen Querschnitt eine gleichförmige, d.h. insbesondere symmetrische
Intensitätsverteilung
erzielt wird. Dort sind die für
die Beeinflussung des Strahlenganges vorgesehenen Hilfsmittel symmetrisch
verteilt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine
Vorrichtung bereitzustellen, mit der ein Intensitätsprofil
des Laserstrahls erzeugbar ist, das, quer zur Laserstrahlrichtung,
auf einer Strahlseite eine höhere
Intensität
hat als in anderen Bereichen des Strahls. Dabei soll insbesondere
die in die Vorrichtung eingestrahlte Laserstrahlleistung möglichst
verlustfrei ausgenützt
werden.
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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung
gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Unter Invertieren der Intensität entlang
einer Achse bzw. in einer Richtung wird hier verstanden, daß die Reihenfolge
der Intensitätswerte
des Teilstrahls von einer Seite zur anderen Seite des Teilstrahls
genau umgekehrt wird. Hat der Teilstrahl am linken Rand (die Orientierung
ist hier willkürlich
gewählt)
beispielsweise eine Intensität
a, in der Mitte eine, Intensität
b, und am rechten Rand eine Intensität c, so hat der inver tierte
Teilstrahl am linken Rand die Intensität c, in der Mitte die Intensität b, und
am rechten Rand die Intensität
a.
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Eine Homogenisiereinrichtung, wie
sie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
verwendet wird, ist beispielsweise aus der
DE 42 20 705 A1 bekannt. Dort
wird die Intensitätsverteilung
eines Laserstrahls dadurch homogenisiert (räumlich angeglichen), daß eine Mehrzahl
von Linsen in einer Reihe senkrecht zur optischen Achse angeordnet
wird. Diese Linsen sind jeweils so geformt, daß sie einzelne Teilstrahlen des
Laserstrahls so einander überlagern,
daß die
abgebildete Laserstrahlung insgesamt weitgehend homogenisiert ist.
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Eine Weiterbildung einer solchen
Homogenisiereinrichtung findet sich in der
DE 196 32 460 C1 . Dort
werden mehrere Beleuchtungsfelder mit jeweils homogener Intensitätsverteilung
erzeugt, wobei eine Linsenreihe mehrere unterschiedliche Gruppen
von azentrischen Linsensegmenten von Zylinderlinsen aufweist (vgl.
auch US-Patent 5,796,521).
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Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht die Invertierungseinrichtung aus zwei Sammellinsen mit den Brennweiten
f5 und f4, die in
der Richtung der Strahlausbreitung im Abstand f5 +
f4 voneinander entfernt angeordnet sind,
d. h. in Teleskopanordnung.
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Bekanntlich genügt ja eine Sammellinse zum Invertieren
einer Intensitätsverteilung.
(Eine Sammellinse bildet einen Gegenstand auf einem Schirm, der
hinter ihrem Brennpunkt aufgestellt ist, auf dem Kopf stehend ab.)
Die zweite Sammellinse sorgt dafür,
daß parallel
auf die erste Sammellinse auftreffende Strahlen die Invertierungseinrichtung
auch wieder parallel in der Richtung der Strahlausbreitung verlassen.
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Bevorzugt ist die Invertierungseinrichtung
in der Richtung der Strahlausbreitung (auf der Strahlachse) vor
der Homogenisiereinrichtung angeordnet.
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Die oben beschriebene Erfindung kombiniert eine
bekannte Homogenisiereinrichtung mit einer zusätzlichen Invertierungseinrichtung.
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Es wird also eine bekannte Homogenisiereinrichtung
so ergänzt,
daß nach
wie vor die Teilstrahlen, die sie durchlaufen, einander überlagert werden,
daß aber
zumindest einer der Teilstrahlen, einmal (oder dreimal, fünfmal, etc.)
mehr invertiert wird als die anderen Teilstrahlen.
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Die Vorrichtung zum Umwandeln der
Intensitätsverteilung
eines Laserstrahls umfasst eine Mehrzahl von optischen Einrichtungen
und eine dahinter angeordnete Sammellinse, die derart ausgewählt und
angeordnet sind, daß jede
optische Einrichtung einen Teilstrahl des Laserstrahls abbildet,
und daß die
Teilstrahlen nach Durchlaufen der Vorrichtung einander überlagert
werden, wobei zumindest eine der optischen Einrichtungen so gestaltet
ist, daß sie den
zugehörigen
Teilstrahl einmal mehr entlang zumindest einer Achse, entlang der
die Intensität
umgewandelt werden soll, invertiert als die anderen optischen Einrichtungen
die ihnen zugehörigen
Teilstrahlen.
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Beispielsweise umfassen die optischen
Einrichtungen im allgemeinen jeweils ein Linsenpaar, und die optischen
Einrichtungen, die den zugehörigen
Teilstrahl einmal mehr invertieren als die anderen optischen Einrichtungen,
umfassen zwei Linsenpaare. Von diesen Linsenpaaren kann ein Paar
aus zwei Sammellinsen mit den Brennweiten f5 und
f4 bestehen, die in Richtung der Strahlausbreitung
im Abstand f5 + f4 voneinander
entfernt angeordnet sind. Das zweite Linsenpaar dieser optischen
Einrichtung hat dann z. B. Brennweiten, die kleiner sind als bei den
anderen optischen Einrichtungen, so daß für die beiden Linsenpaare genügend Platz
zur Verfügung ist.
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Die genannten Vorrichtungen gemäß den genannten
Ausführungsformen
können
durch Kombination mit einer Laserstrahlenquelle, die einen Laserstrahl
mit einer Intensitätsverteilung
erzeugt, die bestimmten Anforderungen genügt, zu einer Vorrichtung zum
Erzeugen eines Laserstrahls mit einer Intensität, die längs einer quer zur Strahlrichtung
verlaufenden Achse von einer Seite zur anderen Seite beständig abfällt, ausgebaut
werden.
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Eine solche Vorrichtung umfaßt:
- – eine
Laserstrahlquelle, die einen Laserstrahl erzeugt, bei dem die Intensität in ausgewählten Teilstrahlen
des Laserstrahls entlang der Achse von einer Seite der ausgewählten Teilstrahlen
zu deren anderen Seite beständig
steigt
- – zumindest
eine Invertierungseinrichtung, die die Intensitätsverteilung zumindest eines
der ausgewählten
Teilstrahlen entlang der Achse invertiert, und
- – eine
Homogenisiereinrichtung, die Teilstrahlen des Laserstrahls so einander überlagert,
daß der Laserstrahl,
wenn keiner seiner Teilstrahlen die Invertierungseinrichtung durchlaufen
würde,
homogenisiert würde.
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Es ist möglich, daß auch die Homogenisiereinrichtung
die Teilstrahlen noch einmal invertiert. In diesem Falle sind die
Rollen von der "einen" Seite und der "anderen" Seite des Teilstrahls
gegenüber der "einen" Seite und der "anderen" Seite des erzeugten
Gesamtstrahls vertauscht.
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Vorteilhaft erzeugt die Laserstrahlquelle
einen Laserstrahl, dessen Intensitätsverteilung von einer Seite
(bzw. der Kante oder dem Rand) des Laserstrahls entlang der Querachse
zunächst
beständig auf
ein Maximum steigt und von dem Maximum zu der anderen Seite hin
beständig
abfällt.
In diesem Falle wird/werden die Invertierungseinrichtung/en vorteilhaft
so angeordnet, daß nur
Teilstrahlen auf einer Seite des Maximums invertiert werden. Typischerweise
ist die Laserstrahlquelle eine Excimer-Laserstrahlquelle, die eine
symmetrische, insbesondere längs
einer der Achsen glockenförmige
Intensitätsverteilung
erzeugt. (längs
der anderen Achse ist die Intensitätsverteilung bei Excimerlasern
zumeist mehr oder weniger homogen).
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Die Stärke des Abfalls der Intensitätsverteilung
nimmt mit der Anzahl der invertierten Teilstrahlen zu, und sie kann
somit durch die Zahl der invertierten Teilstrahlen gesteuert werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigt:
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1 schematisch
eine Homogenisiereinrichtung, die in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
Steuern der Intensitätsverteilung
eines Laserstrahls bevorzugt verwendet wird;
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2 die
Intensitätsverteilung
längs einer Achse
eines Excimerlasers;
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3 eine
typische homogene Intensitätsverteilung
eines Excimerlasers, wie sie mit der Einrichtung entsprechend 1 erreichbar ist;
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4 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zum
Umwandeln der Intensitätsverteilung
eines Laserstrahls, die eine Homogenisiereinrichtung wie die in 1 gezeigte sowie zwei Invertierungseinrichtungen
umfaßt;
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5 die
Intensitätsverteilung
des Laserstrahls aus 2,
nachdem der Strahl die beiden in 4 gezeigten
Invertierungseinrichtungen passiert hat;
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6 die
durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
aus 4 erzielte inhomogene
Intensitätsverteilung,
bei der die Intensität
längs der
hier gezeigten Achse von der einen Seite zur anderen Seite beständig abfällt, die
man erhält,
wenn der Laserstrahl mit der Intensitätsverteilung aus 5 die in 4 (und 1)
gezeigte Homogenisiereinrichtung passiert.
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1 zeigt
eine Homogenisiereinrichtung 10, mit der ein Lasserstrahl 12,
z. B. ein Excimerlaserstrahl homogenisierbar ist. Excimerlaser emittieren
Strahlung, die in der Regel einen rechteckigen Querschnitt hat.
In Richtung der sog. langen Achse (des Rechteckes) weist die Energiedichte
der Strahlung eine Verteilung auf, die im wesentlichen trapezförmig mit
steilen Flanken ("flat
top") ist. In Richtung der
sog. kurzen Achse (des Rechteckes) weist die Energiedichte der Strahlung
eine Verteilung auf, die weitgehend einer sog. Gauß-Kurve
entspricht. In 1 betrachtet
man die kurze Achse von der Seite, sie verläuft von oben nach unten. Die
Intensitätsverteilung
ist schematisch (grau unterlegt) eingezeichnet.
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Die Homogenisiereinrichtung 10 besteht
aus zwei parallel angeordneten Zylinderlinsenreihen ("arrays") 14 und 16 und
einer im Strahlengang dahinter angeordneten Sammellinse 18 (Kondensorlinse).
Die Längsachsen
der Zylinderlinsen stehen senkrecht zur Zeichnungsebene. Dies ergibt
sich auch aus der schematischen Darstellung der Zylinderlinsenformen in
den Figuren. Bei Verwendung eines Excimerlaserstrahls stehen also
die Zylinderachsen parallel zur "langen
Achse" des Laserstrahls.
In 1 (wie auch in 4) verläuft der Strahlengang des Laserstrahls 12 von
links nach rechts. Der in 1 gezeigte
Homogenisierer ist aus dem eingangs genannten Stand der Technik
bekannt.
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Durch die erste Reihe 14 von
Zylinderlinsen wird der einfallende Laserstrahl 12 in eine
Vielzahl von Teilstrahlen aufgeteilt. In 1 ist nur der Strahlengang von drei Teilstrahlen
schematisch dargestellt, insgesamt wird der Laserstrahl hier in
sieben Teilstrahlen aufgeteilt (typisch sind 5 – 20 Teilstrahlen).
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Die optischen Elemente 14, 16 und 18 bewirken,
daß die
in 1 von links einfallende
Laserstrahlung 12 auf eine Ebene 20 abgebildet
wird. Alle Teilstrahlen überlagern
sich in der Ebene 20 voll (sie überlappen). Dies bedeutet,
daß im
einfallenden Laserstrahl 12 noch vorhandene Inhomogenitäten der Intensitäten voll
ausgeglichen werden, d. h. der auf die Ebene 20 abgebildete
Laserstrahl ist homogenisiert. Naturgemäß wird eine Homogenisierung
nur dann erzielt, wenn bereits der einfallende Laserstrahl ein bestimmtes
Aussehen hat, z. B. insbesondere symmetrisch ist wie der hier gezeigte
Laserstrahl.
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Ist die einfallende Laserstrahlung
auch in Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene inhomogen, wird ein
zweiter, gegenüber
der Darstellung gemäß 1 um 90° gedrehter Homogenisierer benötigt (nicht
dargestellt).
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Die Zylinderlinsen aus der Zylinderlinsenreihe 14 haben
die Brennweite f1; die Zylinderlinsen aus der
Zylinderlinsenreihe 16 haben die Brennweite f2; und
die Sammellinse 18 hat die Brennweite f3.
Größe und Form
des Beleuchtungsfeldes auf der Abbildungsebene 20 (quadratisch,
rechteckig,...) wird durch die Breite und Brennweite f2 der
Linsen sowie die Brennweite f3 der Sammellinse
bestimmt.
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2 zeigt
die Intensitätsverteilung
des eingestrahlten Laserstrahls 12 längs der kurzen Achse. Diese
Intensitätsverteilung
ist symmetrisch in Bezug auf die Strahlachse, wobei sie von der
einen Seite des Laserstrahls zunächst
beständig
auf ein Maximum 22 steigt und von dem Maximum 22 zu
der anderen Seite beständig
abfällt.
Es kann zwischen den einzelnen Punkten – dies sind hier Meßpunkte – der Kurve
zu Fluktuationen in der Intensitätsverteilung kommen,
diese erfolgen jedoch auf einem wesentlich kleineren Maßstab als
dem hier gezeigten, sind hier also nicht sichtbar.
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Also gilt, daß bei der in 2 gezeigten Intensitätsverteilungen aller Teilstrahlen
(bis auf einen zentralen Teilstrahl um das Maximum 22 herum)
von einer Seite zur anderen Seite beständig steigen (bzw. fallen,
je nachdem, was man als die eine Seite, und was man als die andere
Seite definiert).
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Da die Intensitätsverteilung aus 2 symmetrisch ist, und da
die Homogenisiereinrichtung alle Teilstrahlen aus der Intensitätsverteilung
einander überlagert, überlagern
sich insbesondere die Teilstrahlen auf der linken Seite des Maximums 22 mit den
Teilstrahlen auf der rechten Seite des Maximums 22, und
dadurch erzielt man ein insgesamt homogenes Strahlprofil. Ein Beispiel
für ein
derart homogenes Strahlprofil ist in 3 gezeigt.
Dies ist das Strahlprofil, das man in der Ebene 20 erhält.
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4 zeigt
nun eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Umwandeln der Intensitätsverteilung
eines Laserstrahls. Diese besteht aus der Homogenisiereinrichtung 10 und
zwei, in der Richtung des Einfalls des Laserstrahls 12 vor
der Homogenisiereinrichtung angeordnete Invertierungseinrichtungen 24 und 26.
Die Invertierungseinrichtungen 24 und 26 bestehen
jeweils aus zwei Sammellinsen, wobei die erste Sammellinse die Brennweite
f5 und die zweite Sammellinse die Brennweite
f4 hat, und die beiden Sammellinsen im Abstand
f5 + f4 voneinander
entfernt angeordnet sind. Bevorzugt ist, wie hier gezeigt, f5 = f4. Jede Sammellinse
hat längs
der hier von oben verlaufenden kurzen Achse dieselbe Größe wie eine
der Linsen aus der Zylinderlinsenreihe 14, und sie ist
jeweils so angeordnet, daß sie
genau auf den Teilstrahl einwirkt bzw. diesen Teilstrahl abbildet,
der auf eine entsprechende Zylinderlinse aus der Zylinderlinsenreihe 14 trifft.
Alternativ können
die Sammellinsen jeder Invertierungseinrichtung 24 bzw. 26 auch
etwas kleiner sein als die Linsen aus der Zylinderlinsenreihe 14,
so daß nicht
der ganze Teilstrahl, den die entsprechende Zylinderlinse aus der
Zylinderlinsenreihe 14 abbildet, invertiert wird. Die Sammellinsen
aus den Invertierungseinrichtungen 24 bzw. 26 können beispielsweise
in der in 4 von oben
nach unten verlaufenden Richtung um 10 % kleiner sein als die entsprechenden
Linsen aus der Zylinderlinsenreihe 14.
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In 4 ist
schematisch der Strahlengang der beiden Teilstrahlen, die von den
Invertierungseinrichtungen 24 und 26 invertiert
werden, sowie eines weiteren Teilstrahls, der nicht zusätzlich invertiert wird,
gezeigt. Die erste Sammellinse jeder Invertierungseinrichtung 24 bzw. 26 invertiert
den entsprechenden Teilstrahl. Die zweite Sammellinse dient dazu,
den bereits invertierten Teilstrahl wieder in die Richtung der Strahlausbreitung
zu lenken, d. h. daß ein
parallel auf die erste Linse treffender Strahl die zweite Linse
parallel verläßt.
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Der Abstand zwischen der zweiten
Sammellinse jeder Invertierungseinrichtung und der Ebene der Zylinderlinsenreihe 14,
der in 4 mit a bezeichnet
ist, ist in 4 deutlich
größer als
die Brennweiten f5 und f4.
Gemäß einer
alternativen Ausführungsform
kann man jedoch den Abstand a auch so wählen, daß a = f4.
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Die Intensitätsverteilung 28, die
der Laserstrahl in der Ebene 30 hinter den beiden Invertierungseinrichtungen 24 und 26 hat,
ist in 4 schematisch
(grau unterlegt) dargestellt.
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In dem Profil 28 sind zwei
Teilstrahlen invertiert, d. h., anstatt daß die Intensität von einer
Seite (oben) zur anderen Seite (unten) beständig steigt, fällt das
Profil ständig.
Dies hat zur Folge, daß sich die
Teilstrahlen in der Ebene 20 derart überlagern, daß ein Laserstrahl
erzeugt wird, bei dem die Intensitätsverteilung so aussieht, daß die Intensität von einer
Seite (unten) zur anderen Seite (oben) beständig abfällt.
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Eine Intensitätsverteilung, wie man sie bei der
vorliegenden Erfindung beispielsweise in der Ebene 30 erhält, ist
in 5 gezeigt. (Hier
wurde der Laserstrahl allerdings in mehr als nur sieben Teilstrahlen
aufgeteilt).
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Hier sind zwei Teilstrahlen 32 und 34,
die jeweils eine Breite von zehn willkürlichen Einheiten haben, invertiert
worden. Das Invertieren bedeutet hier, daß beispielsweise die Intensität, die der
Laserstrahl am Breitenpunkt 11 vor dem Invertieren hatte,
nunmehr am Breitenpunkt 19 vorliegt, die Intensität, die vor
dem Invertieren auf der Breite 12 vorlag, liegt nun auf
der Breite 18 vor, etc. Der Teilstrahl 32 geht
also aus einer Spiegelung der werte des entsprechenden Teilstrahls
aus 2 an einer durch
die Breite 5 verlaufenden Achse hervor, der Teilstrahl 34 geht
aus den Werten des entsprechenden Teilstrahls aus 2 hervor, wenn sie an einer Achse gespiegelt werden,
die durch die Breite 15 verläuft.
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Wird ein Strahl mit einer Intensitätsverteilung wie
der in 5 gezeigten durch
eine Homogenisiereinrichtung wie die in 1 dargestellte gesendet, so erhält man ein
inhomogenes Strahlprofil, bei dem die Intensitätsverteilung von einer Seite
zur anderen Seite beständig
abfällt.
Werden die Teilstrahlen anders als in der in 1 und 4 gezeigten
Homogenisierungseinrichtung nicht abermals invertiert, so erhält man eine
Intensitätsverteilung
wie die in 6 gezeigte.
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Strahlen mit einer derartigen Intensitätsverteilung
werden, wie eingangs bereits erwähnt,
z. B. beim Rekristallisieren von amorphen Si-Schichten vorteilhaft
für eine
homogene Rekristallisierung eingesetzt. Dabei lenkt man den Laserstrahl
so auf Substrate mit amorphen Si-Schichten, daß die Schichten zunächst von
dem in 6 linken Teil
des Laserstrahls, also dem Teil mit der Intensitätsüberhöhung getroffen werden, und
beim Abfahren des Laserstrahls über
das Substrat nimmt dann die Laserleistung nach und nach ab.
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Der in 6 gezeigte
Winkel α kann
dadurch eingestellt werden, daß man
die Anzahl der invertierten Teilstrahlen (oder deren Größe) entsprechend wählt.
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Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform sind die Invertierungseinrichtungen 24 und 26 vor
der Homogenisiereinrichtung 10 angeordnet. Sie können jedoch
auch in diese eingebaut werden, z. B. indem die in 4 oberen beiden Linsen aus der Zylinderlinsenreihe 14 durch
Linsen mit einer deutlich kleineren Brennweite ersetzt werden, und
wobei in den Strahlengang z. B. zwischen der Zylinderlinsenreihe 14 und
der Zylinderlinsenreihe 16 für die beiden oberen Teilstrahlen
jeweils zwei weitere Linsen mit kurzer Brennweite eingebaut werden.
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Bei einer weiteren Alternative dient
nur eine einzige Sammellinse, die z. B. kurz vor der Homogenisiereinrichtung
angeordnet wird oder in diese eingebaut wird, dazu, einen Teilstrahl
zu invertieren.