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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum seitlichen Begrenzen eines Laserstrahls mit rechteckigem Querschnitt, der eine lange Seite, eine kurze Seite und eine Längsmittelachse aufweist, mit einer Blende, die den Rand einer langen Seite in einem vorgegebenen Bereich abdeckt und einen Teilstrahl unter einem vorgegebenen Winkel aus dem Laserstrahl auslenkt, mit zwei Sensoren zum Erfassen der Intensität des Teilstrahls an zwei in Richtung der Längsmittelachse voneinander beabstandeten Positionen, und mit ersten Mitteln zum Verstellen der Blende relativ zu zwei Koordinatenachsen in Abhängigkeit von einer rechnerischen Verknüpfung von Signalwerten der Sensoren, wobei im Bereich der anderen langen Seite in zur Längsmittelachse im Wesentlichen symmetrischer Anordnung eine weitere Blende sowie zwei weitere Sensoren angeordnet sind und die ersten Mittel zum Verfahren beider Blenden aus einer rechnerischen Verknüpfung der Signalwerte aller vier Sensoren ausgebildet sind.
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Eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art ist aus der
WO 2007/048 507 A1 bekannt.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Einstellen der Breite eines Laserstrahls mit rechteckigem Querschnitt, der lange Seiten, kurze Seiten und eine Längsmittelachse aufweist, mit zwei Blenden, die die Ränder der langen Seiten in einem vorgegebenen Bereich abdecken, wobei die Blenden in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls einen Abstand voneinander aufweisen.
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Die Erfindung findet vorzugsweise Anwendung in Systemen zur Laser-Materialbearbeitung und/oder in optischen Strahlführungssystemen.
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Beim Aufschmelzen von Schichten auf ein Substrat, beispielsweise beim Aufschmelzen von Silizium-Schichten bei der Herstellung von elektronischen Displays, verwendet man einen Laserstrahl, der als sehr schmaler Linienstrahl auf die aufzuschmelzende Schicht fällt. Die Schicht und der Laserstrahl werden relativ zueinander quer zu der vom Laserstrahl gebildeten Linie verschoben, so dass der Laserstrahl flächig über das Substrat, das so genannte „Panel”, geführt wird. Ein Panel hat typischerweise eine Größe von 900 × 700 mm und der auftreffende Laserstrahl eine Länge von 750 mm und eine Breite von wenigen Mikrometern, z. B. 3 bis 20 μm. Man kann dabei den Laserstrahl auch pulsen. Durch das Aufschmelzen der Silizium-Schicht wird die zuvor amorphe Kristallstruktur geordnet (kristallisiert) und damit die Elektronenmobilität, d. h. makroskopisch die elektrische Leitfähigkeit, erhöht.
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In einer von der Anmelderin entwickelten Anlage zum Aufschmelzen derartiger Schichten wird ein Laserstrahl zunächst in eine Form gebracht, in der er einen rechteckigen Querschnitt von etwa Briefmarkengröße hat. Dieser Laserstrahl wird dann durch mehrfaches Umlenken und Umformen an entsprechenden optischen Elementen so geformt, dass er schließlich die gewünschte sehr schmale Linienform und eine hohe Homogenität aufweist.
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Als Quelle wird ein Excimer-Laser verwendet, dessen Strahl ein Beleuchtungssystem durchläuft. Im Beleuchtungssystem wird ein erster linienförmiger Zwischenfokus auf einem Felddefinitionsmodul (FDM) erzeugt. Dabei ist störend, dass der Laserstrahl in Richtung der kurzen Seite des rechteckförmigen Querschnitts eine gaussförmige Verteilung hat, so dass die Intensität zu den langen Seiten hin nicht mit einer steilen Flanke endet.
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Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, den Laserstrahl in der Breite zu begrenzen und dadurch die flachen Bereiche der Gaussverteilung abzuschneiden. Dazu muss allerdings der Laserstrahl den Zwischenfokus mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern treffen. Dies ist nur möglich, wenn eine Justagemöglichkeit besteht.
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Aus der eingangs genannten
WO 2007/048507 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der ein sehr schmaler, rechteckförmiger Laserstrahl erzeugt wird. Im Bereich einer langen Seite des Laserstrahls und im Wesentlichen parallel dazu ist ein stabförmiges, strahlteilendes Element vorgesehen, das quer zur Strahlrichtung einen rechteckigen Querschnitt hat. Das Element ragt mit einer Ecke in den Laserstrahl hinein und deckt einen schmalen Streifen am Rand der langen Seite des Laserstrahls ab. Gleichzeitig lenkt er einen Teilstrahl aus dem Laserstrahl aus. Das Element ist mit Aktuatoren zur Einstellung von dessen Position im Raum versehen. Der Teilstrahl trifft an zwei voneinander beabstandeten Positionen im gleichen Abstand von dem Element auf Sensoren, mit denen die Intensität des Teilstrahls erfasst wird. Aus der Summe der Signale der beiden Sensoren wird ein Stellsignal für das Element abgeleitet, um die Eindringtiefe des Elements in den Laserstrahl zu justieren. Aus der Differenz der Signale wird ein Stellsignal abgeleitet, um das Element relativ zu der langen Seite zu drehen.
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Die bekannte Vorrichtung verwendet daher bereits eine Regelung, um die Strahlform präzise einzustellen. Sie arbeitet jedoch für manche Anwendungen noch nicht genau oder schnell genug und ist nicht in der Lage, weitere Korrekturen anzubringen.
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Aus der
DE 38 18 129 A1 ist bekannt, einen Laserstrahl auf beiden Seiten mittels Blenden zu begrenzen. Die dabei ausgelenkten Teilstrahlen werden jedoch keinen weiteren Zwecken zugeführt sondern lediglich einer Strahlenfalle zugeleitet.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, die es ermöglicht, die auftretenden Positions- und Richtungsfehler beim Auftreffen des Laserstrahls auf den Zwischenfokus in höherem Maße zu minimieren als dies mit dem Stand der Technik möglich ist. Ferner soll die Einstellung der Breite des Laserstrahls vereinfacht werden.
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Bei einer Vorrichtung der eingangs als erstes genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass weiterhin dritte Mittel zum Verdrehen des Laserstrahls um seine Ausbreitungsrichtung vorgesehen sind und dass die dritten Mittel in Abhängigkeit von einem Quotienten der Quotienten der Signalwerte der einander relativ zur Längsmittelachse diametral gegenüberstehenden Sensoren gesteuert werden.
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Bei einer Vorrichtung der eingangs als zweites genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Mittel vorgesehen sind, um den Laserstrahl vor seinem Auftreffen auf die Blenden in einem vorbestimmten Winkel um eine zu den langen Seiten parallele Achse zu verschwenken.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
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Die Erfindung hat nämlich den Vorteil, dass noch eine weitere Stellgröße, nämlich eine Drehung bzw. eine Verschwenkung des Laserstrahls, einbezogen wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Signalwerte einander relativ zur Längsmittelachse diametral gegenüberstehender Sensoren addiert, und aus dem Quotienten der Summen wird durch die ersten Mittel ein Abstand der Blenden voneinander justiert.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass erstmals die Breite des Laserstrahls, die in der letzten Stufe nur wenige μm betragen kann, aktiv geregelt wird.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind ferner alternativ oder zusätzlich zweite Mittel zum Verstellen des Laserstrahls in einer Richtung senkrecht zur Längsmittelachse und zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls vorgesehen, und die zweiten Mittel werden in Abhängigkeit von einem Quotienten der Summen der Signalwerte der in Richtung der Längsmittelachse nebeneinander angeordneten Sensoren gesteuert.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass zusätzlich die Lage des Laserstrahls als Stellgröße in die Regelung des Auftreffens des Laserstrahls mit einbezogen wird.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist schließlich noch bevorzugt, wenn im Strahlengang des Teilstrahls vor den Sensoren ein dielektrisches Filter, beispielsweise ein Bandpassfilter oder dielektrischer Abschwächer, und/oder ein absorptives Filter, beispielsweise ein Graufilter, angeordnet ist. Im Falle des Vorhandenseins beider Filter ist vorzugsweise das dielektrische Filter in Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls vor dem absorptiven Graufilter angeordnet.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Messtechnik der Vorrichtung vor Fluoreszenzlicht geschützt wird, das durch den ausgelenkten Teilstrahl in der zugehörigen Strahlenfalle erzeugt wird.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1A eine schematisierte Ansicht auf einen rechteckförmigen Querschnitt eines Laserstrahls, wie er im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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1B eine Intensitätsverteilung in Richtung der kurzen Seite beim Laserstrahl der 1A;
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2A eine Darstellung, ähnlich 1A, jedoch mit einer seitlichen Teilabdeckung bzw. Begrenzung des Laserstrahls;
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2B eine Darstellung wie 1A für den begrenzten Laserstrahl der 2A;
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3 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 eine Seitenansicht in Richtung des Pfeils V in 4;
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5 eine Darstellung, ähnlich 5, jedoch mit einem geringfügig verdrehten Laserstrahl;
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6 in vergrößertem Maßstab eine Teilansicht aus 3 mit weiteren optionalen Einzelheiten;
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7 eine schematisierte Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
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8 eine Darstellung zur Veranschaulichung des Einsatzes der Ausführungsform von 7 in einer Anlage zum Aufschmelzen von Schichten.
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In 1A bezeichnet 10 einen Laserstrahl mit rechteckigem Querschnitt, dessen Ausbreitungsrichtung senkrecht zur Zeichenebene liegt. Der Laserstrahl 10 dient vorzugsweise dazu, in einer entsprechenden Anlage dünne Silizium-Schichten aufzuschmelzen, wie eingangs erläutert.
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Der Laserstrahl 10 hat lange Seiten 11a, 11b der Breite Sl und kurze Seiten 12a, 12b der Breite Sk. In einem kartesischen Bezugskoordinatensystem der Anlage verlaufen die langen Seiten 11a, 11b in y-Richtung und die kurzen Seiten 12a, 12b in x-Richtung, während die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 10 mit der z-Richtung zusammenfällt. Die Breite Sl beträgt typischerweise zwischen 10 und 1.500 mm, das Seitenverhältnis Sl/Sk liegt vorzugsweise zwischen 10 und wesentlich größer.
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Wie in 1B dargestellt, hat der Laserstrahl 10 in Richtung der kurzen Seiten 12a, 12b eine Intensitätsverteilung 13 in Form einer Gauss-Kurve mit flachen Randbereichen 14, symmetrisch zu einer Längsmittelachse 15 des Laserstrahls 10. Der Laserstrahl 10 hat somit keine scharf konturierten Kanten, weil seine Intensität zu den langen Seiten hin stetig auf einen niedrigen Wert abnimmt. Das ist für viele Zwecke nicht akzeptabel.
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2A zeigt, dass insoweit Abhilfe geschaffen werden kann, indem der Laserstrahl 10 auf beiden langen Seiten 11a und 11b begrenzt wird. Dies geschieht mit Hilfe zweier Blenden 16a und 16b, die im Wesentlichen parallel zum Laserstrahl 10 ausgerichtet sind und diesen an den langen Seiten 11a und 11b in schmalen Bereichen 18a und 18b überdecken. Die Breite Sk des Laserstrahls 10 wird dadurch auf den Abstand XB der Blenden 16a, 16b reduziert, und es ergibt sich ein Laserstrahl 10'.
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2B zeigt, dass durch die Blenden 16a, 16b eine Intensitätsverteilung 13' entsteht, bei der die Randbereiche 14 abgeschnitten sind. Dies hat zur Folge, dass die Intensität an den langen Seiten des Laserstrahls 10' einen wesentlich schärferen Übergang hat als zuvor.
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In 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei der die Vorgehensweise der 2A und 2B angewendet wird.
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Ein Laser 20, insbesondere ein gepulster Excimer-Laser, sendet den Laserstrahl 10 aus. Mittels einer ersten Verstelleinheit 21 kann die Lage des Laserstrahls 10 in Richtung der x-Achse verstellt werden. Eine zweite Verstelleinheit 22 gestattet es, den Laserstrahl 10 um einen Winkel φ um die z-Achse zu drehen. Die Verstelleinheiten 21 und 22 sind jeweils Teile eines Regelkreises und empfangen ihre Eingangssignale von Sensoren, wie noch beschrieben werden wird.
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Die Blenden 16a und 16b sind als stabförmige Prismen ausgebildet, die vorzugsweise aus Quarzglas bestehen und mit einer Längskante in den Laserstrahl 10 hineinreichen, wie in 2A dargestellt. Die Blenden sind mittels Aktuatoren 24a, 24b in z-Richtung verfahrbar, so dass insbesondere der Abstand XB zwischen den Blenden 16a und 16b einstellbar ist Auch dies geschieht in einem Regelkreis, wie noch erläutert werden wird.
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Die als Prismen ausgebildeten Blenden 16a, 16b lenken Teilstrahlen 26a, 26b durch Totalreflexion und Brechung unter einem Winkel α aus der z-Richtung aus. Diese Teilstrahlen 26a, 26b gelangen auf Sensoren 30a, 30b. Wie 4 zeigt, sind insgesamt vier Sensoren 30a, 30b, 30c und 30d vorgesehen, wobei sich jeweils zwei Sensoren 30a/30b, 30c/30d als Paar diametral relativ zur Längsmittelachse 15 gegenüberstehen und die Paare 30a/30b, 30c/30d im seitlichen Abstand in y-Richtung zueinander angeordnet sind. Die Anordnung muss dabei nicht notwendigerweise in zwei Achsen x, y spiegelsymmetrisch sein, wie in 5 dargestellt, die Auswertung der Sensorsignale wird dadurch jedoch vereinfacht. Die Ausgangssignale der Sensoren 30a, 30b, 30c und 30d sind in 4 als A, B, C und D bezeichnet.
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Die Sensoren 30a–30d detektieren die mittels der Blenden 16a, 16b abgeschnittene Lichtmenge der Teilstrahlen 26a, 26b an vier Messpunkten. Sie sind in Strahlenfallen für die Teilstrahlen 26a und 26b angeordnet (nicht dargestellt).
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Wenn die Blenden 16a uns 16b und der Laserstrahl 10 relativ zueinander symmetrisch zentriert sind, wie in 4 dargestellt, dann wird an allen vier Sensoren 30a–30d das selbe Signal A = B = C = D angezeigt.
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Wenn jedoch die Lage der Blenden 16a und 16b relativ zum Laserstrahl 10* asymmetrisch ist, wie in 5 dargestellt, dann sind die Signale A, B, C und D ungleich groß. Durch rechnerische Verknüpfung dieser Signale A, B, C und D werden nun erfindungsgemäß bis zu drei Korrekturgrößen ermittelt, die als Stellgrößen für die drei bereits erwähnten Regelkreise dienen.
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In einem ersten Regelkreis für die Nachstellung des Abstandes XB der Blenden 16a und 16b voneinander werden die Signalwerte A, B bzw. C, D der einander relativ zur Längsmittelachse 15 diametral gegenüberstehender Sensoren 30a, 30b bzw. 30c, 30d addiert und aus dem Quotienten der Summen (A + B)/C + D) [1] die Aktuatoren 24a und 24b entsprechend angesteuert.
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In einem zweiten Regelkreis für die Nachstellung des Laserstrahls 10* in x-Richtung, das in der Fachwelt so genannte „pointing”, werden die Signalwerte A, C bzw. B, D der in Richtung der Längsmittelachse 15 nebeneinander angeordneten Sensoren 30a, 30c bzw. 30b, 30d addiert und aus dem Quotienten der Summen (A + C)/(C + D) [2] die erste Verstelleinheit 21 entsprechend angesteuert.
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In einem dritten Regelkreis für die Rotation φ des Laserstrahls 10* um die z-Achse werden die Signalwerte A, B bzw. C, D der einander relativ zur Längsmittelachse 15 diametral gegenüberstehenden Sensoren 30a, 30b bzw. 30c, 30d durcheinander dividiert und aus dem Quotienten der Quotienten (A/B)/(C/D) [3] die zweite Verstelleinheit 22 angesteuert.
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Zur Abschwächung der Leistung der Teilstrahlen 26a uns 26b an die Photodioden der Sensoren 30a–30d ist ein Abschwächerkonzept erforderlich, das in 6 veranschaulicht ist. Der Hauptteil der Strahlleistung wird durch einen dielektrischen Filter 42 geleitet bzw. von einem dielektrischen Spiegel reflektiert. Die Gesamtabschwächung wird dabei vorzugsweise so an die Empfindlichkeit des jeweiligen Sensors angepasst, dass ein gutes Signal/Rauschverhältnis und eine entsprechende Dynamik erreicht werden. Eine etwa gleichmäßige Aufteilung der Abschwächung von dielektrischem Filter und absorptivem Graufilter stellt sich als vorteilhaft für die Streulichtunterdrückung dar.
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Diese kombinierte Abschwächung bewirkt ferner, dass das beispielsweise in der Strahlenfalle erzeugt Fluoreszenzlicht abgeschwächt wird und die Messtechnik der Vorrichtung nicht beeinträchtigt.
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In 7 bezeichnet 50 eine Anordnung, bei der der Laserstrahl 10 auf zwei Blenden 56a, 56b trifft. Die Blenden 56a, 56b haben hier den Querschnitt eines gleichseitigen Dreiecks, was aber nur als Beispiel zu verstehen ist. Die Blenden 56a, 56b weisen jeweils eine Kante 58a, 58b auf, um den Laserstrahl 10 in der oben beschriebenen Weise seitlich zu begrenzen. Die Blenden 56a, 56b können mit Sensoren und Aktuatoren in der ebenfalls oben beschriebenen Weise zusammenwirken.
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Wichtig ist bei dieser Ausführungsform, dass die Blenden 56a, 56b in Ausbreitungsrichtung z des Laserstrahls 10 einen vorbestimmten Abstand Δz aufweisen.
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Wenn der Laserstrahl 10 in einer Richtung z auf die Blenden 56a, 56b fällt, in der die Kanten 58a, 58b miteinander fluchten, dann sind die Verhältnisse so wie oben beschrieben. Der Laserstrahl 10 wird in einen Laserstrahl 10' der Breite B begrenzt, die dem Abstand der Kanten 58a, 58b in x-Richtung entspricht.
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Erfindungsgemäß sind nun Mittel vorgesehen, um die Richtung des Laserstrahls 10 um einen vorbestimmten Winkel γ zu kippen, d. h. um eine zu den langen Seiten parallele Achse zu verschwenken, wie in 7 mit 10** dargestellt. Infolge dieser Kippung ändert sich der effektive Abstand der Kanten 58a, 58b, und der durch die Blenden 56a, 56b durchgetretene Laserstrahl 10**' weist eine größere Breite B** auf. Auf diese Weise ist es somit möglich, die Breite des Laserstrahls einzustellen.
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8 zeigt dazu, dass die Anordnung 50 in einer Anlage zum Aufschmelzen von Schichten eingesetzt werden kann. Die Anordnung 50 arbeitet auf ein durch eine Linse 70 symbolisiertes Abbildungssystem und ein dahinter angeordnetes Panel 72, auf dem sich die aufzuschmelzende Schicht befindet.
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Die Anordnung 50 gibt je nach Einstellung des Winkels γ Laserstrahlen unterschiedlicher Breite, nämlich beispielsweise einen breiten Strahl 74 oder einen schmalen Strahl 76 ab. Diese Laserstrahlen bilden sich mit entsprechend unterschiedlicher Breite als Laserstrahlen 74' und 76' auf dem Panel 72 ab.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10'
- Laserstrahl
- 11
- lange Seite
- 12
- kurze Seite
- 13, 13'
- Intensitätsverteilung
- 14
- Randbereich
- 15
- Längsmittelachse
- 16a, b
- Blende
- 18a, b
- Bereich
- 20
- Laser
- 21
- erste Verstelleinheit (x)
- 22
- zweite Verstelleinheit (φ)
- 24a, b
- Aktuator
- 26a, b
- Teilstrahl
- 30a, b
- Sensor
- 42
- dielektrisches Filter
- 44
- absorptives Graufilter
- 50
- Anordnung
- 56a, b
- Blende
- 58a, b
- Kante
- 60
- Pfeil
- 70
- Panel
- 72
- Linse
- 74, 74'
- breiter Strahl
- 76, 76'
- schmaler Strahl
