DE102019118676B4 - Optical system for homogenizing the intensity of light radiation and system for processing a semiconductor material layer - Google Patents
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Abstract
Optisches System (30, 80) zur Homogenisierung der Intensität von Lichtstrahlung zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, umfassend:eine optische Strahltransformationsanordnung (32) miteiner ersten Anordnung (32a) mit ersten Strahltransformationselementen (40), die dazu eingerichtet ist, einen einfallenden Lichtstrahl (38), dessen Strahlprofil (50) eine kurze Achse in einer x-Richtung und eine lange Achse in einer y-Richtung aufweist, wobei die x-Richtung und die y-Richtung jeweils senkrecht zu einer Propagationsrichtung des Lichtstrahls sind, entlang der langen Achse geometrisch in Teillichtstrahlen (42) umzulenken und aufzuteilen, so dass eine Propagationsrichtung der Teillichtstrahlen (42) verschieden von der Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls (38) ist, undeiner zweiten Anordnung (32b) mit zweiten Strahltransformationselementen (44), die im Strahlengang der Teillichtstrahlen (42) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, die umgelenkten Teillichtstrahlen (42) nochmals umzulenken, wobei ein Strahlprofil (48) eines nochmals umgelenkten Teillichtstrahles (46) in x-Richtung, bezogen auf die Propagationsrichtung des nochmals umgelenkten Teillichtstrahls (46), einem Abschnitt des Strahlprofils (50) des einfallenden Lichtstrahls (38) in y-Richtung, bezogen auf die Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls (38), entspricht,dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (30, 80) ferner umfassteine im Strahlengang der nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen (46) angeordnete, der optischen Strahltransformationsanordnung (32) nachgeordnete Strahlformungseinrichtung (34), die dazu eingerichtet ist, die nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen (46) bezüglich der y-Richtung räumlich als eine in einer Beleuchtungsebene (65) gelegene Beleuchtungslinie (14) zu überlagern, undeine im Strahlengang der nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen (46) angeordnete, der optischen Strahltransformationsanordnung (32) nachgeordnete optische Abbildungseinrichtung (36), die so eingerichtet und angeordnet ist, dass die ersten Strahltransformationselemente (40) in einer in der Beleuchtungsebene (65) gelegenen Bildebene (61) optisch abgebildet werden.Optical system (30, 80) for homogenizing the intensity of light radiation for processing a semiconductor material layer, in particular for producing a crystalline semiconductor layer, comprising: an optical beam transformation arrangement (32) with a first arrangement (32a) with first beam transformation elements (40), which is set up for this purpose , an incident light beam (38), the beam profile (50) of which has a short axis in an x-direction and a long axis in a y-direction, the x-direction and the y-direction each being perpendicular to a direction of propagation of the light beam , geometrically deflect and split along the long axis into partial light beams (42) so that a propagation direction of the partial light beams (42) is different from the propagation direction of the incident light beam (38), and a second arrangement (32b) with second beam transformation elements (44), which is arranged in the beam path of the partial light beams (42) u nd is set up to deflect the deflected partial light beams (42) again, with a beam profile (48) of a further deflected partial light beam (46) in the x direction, based on the direction of propagation of the again deflected partial light beam (46), a section of the beam profile (50 ) of the incident light beam (38) in the y-direction, based on the direction of propagation of the incident light beam (38), characterized in that the optical system (30, 80) further comprises one arranged in the beam path of the partial light beams (46) which are deflected again, the beam shaping device (34) arranged downstream of the optical beam transformation arrangement (32), which is set up to spatially superimpose the once again deflected partial light beams (46) with respect to the y-direction as an illumination line (14) located in an illumination plane (65), and one in the beam path of the Again deflected partial light beams (46) arranged, the optical beam transform An optical imaging device (36) arranged downstream of the ion arrangement (32), which is set up and arranged such that the first beam transformation elements (40) are optically imaged in an image plane (61) located in the illumination plane (65).
Description
Die Offenbarung betrifft ein optisches System zur Homogenisierung der Intensität von Lichtstrahlung und eine Anlage zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht mit einem solchen optischen System. Solche optischen Systeme zur Erzeugung von Lichtstrahlung mit einem gleichmäßigen Intensitätsverlauf werden zur Bearbeitung eines Halbleitermaterials verwandt, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht.The disclosure relates to an optical system for homogenizing the intensity of light radiation and an installation for processing a semiconductor material layer with such an optical system. Such optical systems for generating light radiation with a uniform intensity profile are used for processing a semiconductor material, in particular for generating a crystalline semiconductor layer.
Für die Kristallisation von Dünnfilmschichten beispielsweise für die Herstellung von Dünnfilmtransistoren (im Englischen: Thin Film Transistor, kurz: TFT) werden üblicherweise Laser eingesetzt. Als zu bearbeitender Halbleiter kommt insbesondere Silizium (kurz: Si), genauer amorphes Silizium (kurz: a-Si) zum Einsatz. Die Dicke der Halbleiterschicht beträgt beispielsweise 50 nm, welche sich typischerweise auf einem Substrat, beispielsweise einem Glassubstrat, oder auf einem sonstigen Träger befindet.For the crystallization of thin-film layers, for example for the production of thin-film transistors (in English: Thin Film Transistor, TFT for short), lasers are usually used. Silicon (Si for short), more precisely amorphous silicon (a-Si for short), is used as the semiconductor to be processed. The thickness of the semiconductor layer is, for example, 50 nm, which is typically located on a substrate, for example a glass substrate, or on another carrier.
Die Schicht wird mit dem Licht des Lasers, beispielsweise eines gepulsten Festkörperlasers, beleuchtet. Dabei wird das Licht mit einer Wellenlänge von beispielsweise 343 nm zu einer Beleuchtungslinie geformt und auf einer Bildebene des Halbleitermaterials abgebildet. Die Beleuchtungslinie weist eine kurze (schmale) Achse und eine homogene lange Strahlachse auf. Die kurze oder schmale Achse weist eine gaußförmige oder eine flache Intensitätsverteilung auf.The layer is illuminated with the light of the laser, for example a pulsed solid-state laser. The light with a wavelength of, for example, 343 nm is formed into a line of illumination and imaged on an image plane of the semiconductor material. The line of illumination has a short (narrow) axis and a homogeneous long beam axis. The short or narrow axis has a Gaussian or a flat intensity distribution.
Die Beleuchtungslinie wird mit einem Vorschub von typischerweise ca. 5 bis 50 mm/s in Richtung der kurzen Achse über die Halbleiterschicht bewegt. Die Leistungsdichte (im Fall von Dauerstrichlasern) oder die Pulsenergiedichte (im Fall von gepulsten Lasern) des Lichtstrahls wird derart eingestellt, dass beispielsweise im Fall von amorphem Silizium dieses teilweise aufschmilzt und das aufgeschmolzene Silizium sich anschließend in einer polykristallinen Struktur ausgehend von nicht aufgeschmolzenem festen Silizium auf dem Glassubstrat verfestigt. Das Aufschmelzen und Verfestigen läuft typischerweise auf einer Zeitskala von 10 bis 100 ns ab und die sich anschließende Abkühlung des Films auf Raumtemperatur dauert typischerweise mehrere 100 µs.The line of illumination is moved over the semiconductor layer in the direction of the short axis with a feed rate of typically approx. 5 to 50 mm / s. The power density (in the case of continuous wave lasers) or the pulse energy density (in the case of pulsed lasers) of the light beam is set in such a way that, for example, in the case of amorphous silicon, it partially melts and the melted silicon is then in a polycrystalline structure based on unmelted solid silicon solidified on the glass substrate. Melting and solidifying typically takes place on a time scale of 10 to 100 ns and the subsequent cooling of the film to room temperature typically takes several 100 microseconds.
Bei der Bestrahlung und Umwandlung der Schicht aus amorphem Silizium in eine Schicht aus polykristallinem Silizium kommt es besonders auf eine gleichmäßige Intensität der Beleuchtungslinie an, das heißt auf die Homogenität der entlang der kurzen und/oder der langen Achse integrierten, räumlichen Intensitätsverteilung. Je homogener bzw. gleichmäßiger die Intensitätsverteilung der Beleuchtungslinie ist, desto homogener bzw. gleichmäßiger ist die Kristallstruktur der Dünnfilmschicht (beispielsweise die Korngröße der polykristallinen Schicht), und desto besser sind beispielsweise die elektrischen Eigenschaften des aus der Dünnfilmschicht gebildeten Endprodukts, beispielsweise des Dünnfilmtransistors. Eine homogene Kristallstruktur bewirkt beispielsweise eine hohe Leitfähigkeit aufgrund einer hohen Mobilität der Elektronen und positiven Ladungslöcher. Deswegen werden hohe Anforderungen an die Homogenität der Beleuchtungslinie gestellt.When the layer of amorphous silicon is irradiated and converted into a layer of polycrystalline silicon, a uniform intensity of the line of illumination is particularly important, i.e. the homogeneity of the spatial intensity distribution integrated along the short and / or long axis. The more homogeneous or uniform the intensity distribution of the line of illumination, the more homogeneous or uniform the crystal structure of the thin-film layer (for example the grain size of the polycrystalline layer), and the better, for example, the electrical properties of the end product formed from the thin-film layer, for example the thin-film transistor. A homogeneous crystal structure, for example, results in high conductivity due to a high mobility of the electrons and positive charge holes. Therefore, high demands are placed on the homogeneity of the lighting line.
Inhomogenitäten können insbesondere entlang der langen Strahlachse sowie senkrecht dazu entlang der kurzen Strahlachse auftreten, wenn die Beleuchtungslinie in Richtung der kurzen Achse über die Halbleiterschicht bewegt wird. Diese Inhomogenitäten werden „Mura“ genannt. Sogenannte „Scan-Mura“ haben ihren Ursprung in Inhomogenitäten entlang der Strahlachse und treten auf als in Scanrichtung oder in Vorschubrichtung verlaufende streifenförmige Inhomogenitäten. Senkrecht dazu treten sogenannte „Shot-Mura“ auf, die auf Schwankungen der Intensität Puls zu Puls während des Vorschubs zurückzuführen sind.Inhomogeneities can occur in particular along the long beam axis and perpendicular thereto along the short beam axis when the illumination line is moved over the semiconductor layer in the direction of the short axis. These inhomogeneities are called "mura". So-called “scan mura” have their origin in inhomogeneities along the beam axis and occur as strip-shaped inhomogeneities running in the scan direction or in the feed direction. At right angles to this, so-called “shot mura” occur, which can be traced back to fluctuations in the intensity pulse to pulse during the advance.
Um eine regelmäßige polykristalline Kornstruktur bei der Kristallisierung zu erzeugen, ist es bekannt, dass ein Oberflächeninterferenzeffekt ausgenutzt wird, der dazu führt, dass eine modulierte Intensitätsverteilung während der Belichtung entsteht und durch mehrmaliges Belichten während des Vorschubs eine Kornstruktur mit etwa der Größe der Wellenlänge des Lichts verstärkt wird. Dieser Effekt wird „Laser Induced Periodical Pattern Structure“ (kurz: „LIPPS“) genannt. Bei einer Wellenlänge von beispielsweise 343 nm ergeben sich so Kornstrukturen von etwa 0,3 µm bis 0,4 µm.In order to generate a regular polycrystalline grain structure during crystallization, it is known that a surface interference effect is used, which leads to a modulated intensity distribution during the exposure and, through repeated exposure during the advance, a grain structure with about the size of the wavelength of the light is reinforced. This effect is called "Laser Induced Periodical Pattern Structure" ("LIPPS" for short). At a wavelength of 343 nm, for example, grain structures of approximately 0.3 µm to 0.4 µm result.
Untersuchungen haben ferner gezeigt, dass auch eine flache Intensitätsverteilung in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie vorteilhaft für ein gleichmäßiges Kristallisationsergebnis ist.Investigations have also shown that a flat intensity distribution in the direction of the short axis of the illumination line is also advantageous for a uniform crystallization result.
Dabei ist der genaue Verlauf der flachen Intensitätsverteilung in Richtung der kurzen Achse entscheidend. Sind die Flanken des flachen Profils flach abfallend, steht im mittleren flachen Bereich weniger Energie zur Verfügung als wie wenn die Flanken des flachen Profils im Vergleich dazu steil abfallend sind. Damit ist es bei einem Intensitätsverlauf mit relativ flachen Flanken schwierig, eine ausreichende Intensität im mittleren flachen Bereich zu erzielen, um eine gleichmäßig kristallisierte Halbleitermaterialschicht hoher Qualität zu erzeugen. Darüber hinaus soll eine steile Flanke eine ausreichende Schärfentiefe ermöglichen, so dass über 100 µm bis über mehrere 100 µm die Flankensteilheit sich nur wenig ändert.The exact course of the flat intensity distribution in the direction of the short axis is decisive here. If the flanks of the flat profile are gently sloping, there is less energy available in the central flat area than when the flanks of the flat profile are steeply sloping in comparison. With an intensity profile with relatively flat edges, it is therefore difficult to achieve a sufficient intensity in the central flat area in order to produce a uniformly crystallized semiconductor material layer of high quality. In addition, a steep flank should enable a sufficient depth of focus, so that the flank steepness changes only slightly over 100 µm to more than several 100 µm.
Es ist also wünschenswert, auch entlang der kurzen Achse der Beleuchtungslinie eine homogene Verteilung mit einer Breite von typischerweise 30 µm bis 100 µm zu haben, mit möglichst steilen Flanken, beispielweise eine Breite von 10 µm zwischen einer ersten Intensität, bei der die Intensität 10% einer maximalen Intensität entspricht, und einer zweiten Intensität, bei der die Intensität 90% der maximalen Intensität entspricht.It is therefore desirable to have a homogeneous line of illumination along the short axis as well To have a distribution with a width of typically 30 µm to 100 µm, with the steepest possible flanks, for example a width of 10 µm between a first intensity at which the intensity corresponds to 10% of a maximum intensity and a second intensity at which the intensity 90% of the maximum intensity.
Aus der
Die vorliegende Offenbarung umfasst ein optisches System zur Homogenisierung der Intensität von Lichtstrahlung zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht. Das optische System weist eine optische Strahltransformationsanordnung mit einer ersten Anordnung mit ersten Strahltransformationselementen auf, die dazu eingerichtet ist, einen einfallenden Lichtstrahl, dessen Strahlprofil eine kurze Achse in einer x-Richtung und eine lange Achse in einer y-Richtung aufweist, wobei die x-Richtung und die y-Richtung jeweils senkrecht zu einer Propagationsrichtung des Lichtstrahls sind, entlang der langen Achse geometrisch in Teillichtstrahlen aufzuteilen, wobei eine Propagationsrichtung der Teillichtstrahlen verschieden von der Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls ist. Die optische Strahltransformationsanordnung weist ferner eine zweite Anordnung mit zweiten Strahltransformationselementen auf, die im Strahlengang der Teillichtstrahlen angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, die umgelenkten Teillichtstrahlen nochmals umzulenken, wobei ein Strahlprofil eines nochmals umgelenkten Teillichtstrahles in x-Richtung, bezogen auf die Propagationsrichtung des nochmals umgelenkten Teillichtstrahls, einem Strahlprofilabschnitt des einfallenden Lichtstrahls in y-Richtung, bezogen auf die Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls, entspricht. Das optische System umfasst auch eine im Strahlengang der Teillichtstrahlen angeordnete, der optischen Strahltransformationsanordnung nachgeordnete Strahlformungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Teillichtstrahlen bezüglich der y-Richtung räumlich als eine in einer Beleuchtungsebene gelegene Beleuchtungslinie zu überlagern, sowie eine im Strahlengang der Teillichtstrahlen angeordnete, der optischen Strahltransformationsanordnung nachgeordnete optische Abbildungseinrichtung, die so eingerichtet und angeordnet ist, dass die ersten Strahltransformationselemente bezüglich der x-Achse in einer in der Beleuchtungsebene gelegenen Bildebene optisch abgebildet werden.The present disclosure comprises an optical system for homogenizing the intensity of light radiation for processing a semiconductor material layer, in particular for producing a crystalline semiconductor layer. The optical system has an optical beam transformation arrangement with a first arrangement with first beam transformation elements, which is set up to transmit an incident light beam whose beam profile has a short axis in an x-direction and a long axis in a y-direction, the x- The direction and the y-direction are each perpendicular to a direction of propagation of the light beam, to be geometrically divided into partial light beams along the long axis, a propagation direction of the partial light beams being different from the propagation direction of the incident light beam. The optical beam transformation arrangement also has a second arrangement with second beam transformation elements, which is arranged in the beam path of the partial light beams and is set up to deflect the deflected partial light beams again, with a beam profile of a further deflected partial light beam in the x direction, based on the propagation direction of the again deflected Partial light beam, corresponds to a beam profile section of the incident light beam in the y-direction, based on the direction of propagation of the incident light beam. The optical system also comprises a beam-shaping device arranged in the beam path of the partial light beams, downstream of the optical beam transformation arrangement, which is set up to spatially superimpose the partial light beams with respect to the y-direction as an illumination line located in an illumination plane, as well as one which is arranged in the beam path of the partial light beams Optical imaging device downstream of the optical beam transformation arrangement, which is set up and arranged such that the first beam transformation elements are optically imaged with respect to the x-axis in an image plane located in the plane of illumination.
Mittels der optischen Strahltransformationseinrichtung wird also der einfallende Lichtstrahl in Teillichtstrahlen aufgeteilt und umgelenkt. Der einfallende Lichtstrahl hat ein Strahlprofil, das senkrecht zur Propagationsrichtung eine kurze Achse und eine lange Achse aufweist. Dabei soll die Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls die Richtung einer z-Achse definieren, wobei die kurze Achse in der Richtung einer x-Achse ausgerichtet ist und die lange Achse in der Richtung einer y-Achse ausgerichtet ist. Die Teillichtstrahlen haben eine verschiedene Propagationsrichtung zu der des einfallenden Lichtstrahls, wobei die Richtung der z-Achse immer durch die Propagationsrichtung des jeweiligen Lichtstrahls bzw. Teillichtstrahls definiert sein soll. Die Richtung der z-Achse, also die z-Richtung, variiert also im Raum mit der Ausbreitung des Lichtstrahls bzw. der Teillichtstrahlen im optischen System. Die x-Richtung und y-Richtung eines Lichtstrahls bzw. Teillichtstrahls ist immer in Richtung der Propagationsrichtung des betroffenen Lichtstrahls bzw. Teillichtstrahls definiert, und zwar sind die x-Richtung und die y-Richtung immer gleich in Bezug zu der z-Richtung definiert.The incident light beam is divided into partial light beams and deflected by means of the optical beam transformation device. The incident light beam has a beam profile that has a short axis and a long axis perpendicular to the direction of propagation. The direction of propagation of the incident light beam is intended to define the direction of a z-axis, the short axis being oriented in the direction of an x-axis and the long axis being oriented in the direction of a y-axis. The partial light beams have a different propagation direction to that of the incident light beam, the direction of the z-axis always being defined by the propagation direction of the respective light beam or partial light beam. The direction of the z-axis, i.e. the z-direction, thus varies in space with the propagation of the light beam or the partial light beams in the optical system. The x-direction and y-direction of a light beam or partial light beam is always defined in the direction of the propagation direction of the light beam or partial light beam concerned, namely the x-direction and the y-direction are always defined the same in relation to the z-direction.
Der Lichtstrahl kann die von einem Laser emittierte Laserstrahlung sein. Die Lichtstrahlung kann beispielsweise die von einem UV-Festkörperlaser emittierte Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 343 nm sein.The light beam can be the laser radiation emitted by a laser. The light radiation can be, for example, the laser radiation emitted by a UV solid-state laser with a wavelength of 343 nm.
Das Strahlprofil des einfallenden Lichtstrahls mit einer langen Achse und einer dazu relativ kurzen Achse kann durch Aufweiten eines Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, mit rundem Strahlprofil in nur einer Richtung erzielt worden sein, beispielsweise anhand einer zylindrischen Optik wie ein Zylinderlinsenteleskop.The beam profile of the incident light beam with a long axis and a relatively short axis can be achieved by expanding a light beam, in particular a laser beam, with a round beam profile in only one direction, for example using cylindrical optics such as a cylindrical lens telescope.
Durch die Umlenkung der Teillichtstrahlen im Raum, insbesondere durch Drehen der Teillichtstrahlen im Raum, wird auch das Strahlprofil im Raum umorientiert. So entspricht das Strahlprofil eines Teillichtstrahls entlang der kurzen Achse nach der Umorientierung, d.h. nach der Strahltransformationseinrichtung, einem Abschnitt des Strahlprofils des einfallenden Lichtstrahls entlang der langen Achse. Der Abschnitt des Strahlprofils bestimmt sich durch die Aufteilung des Lichtstrahls an den ersten Strahltransformationselementen. Dabei ergibt sich an den seitlichen Kanten der ersten Strahltransformationselemente ein steiler Abfall der Intensität. Nach der Umorientierung ist diese „scharfe“ Intensitätskante in Richtung der kurzen Achse eines Teillichtstrahls angeordnet, entlang der oberen und unteren Kanten eines zweiten Strahltransformationselements. Wie später beschrieben wird, kann bei einer Ausgestaltung diese „scharfe“ Intensitätskante durch Abbildung der seitlichen Kanten der beleuchteten ersten Strahltransformationselemente in die Bildebene übertragen werden. Insbesondere können die beleuchteten ersten Strahltransformationselemente als Objekte für eine zylindrische Abbildung der seitlichen Kanten der ersten Strahltransformationselemente dienen.By deflecting the partial light beams in space, in particular by rotating the partial light beams in space, the beam profile is also reoriented in space. The beam profile of a partial light beam along the short axis corresponds to the reorientation, i.e. after the beam transformation device, to a section of the beam profile of the incident light beam along the long axis. The section of the beam profile is determined by the division of the light beam at the first beam transformation elements. This results in a steep drop in intensity at the lateral edges of the first beam transformation elements. After the reorientation, this “sharp” intensity edge is arranged in the direction of the short axis of a partial light beam, along the upper and lower edges of a second beam transformation element. As will be described later, in one embodiment this “sharp” intensity edge can be transferred into the image plane by mapping the lateral edges of the illuminated first beam transformation elements. In particular, the illuminated first beam transformation elements can serve as objects for a cylindrical image of the lateral edges of the first beam transformation elements.
Die Teillichtstrahlen, die aus der optischen Strahltransformationseinrichtung austreten, durchlaufen dann die Strahlformungseinrichtung, mittels der die Teillichtstrahlen entlang der langen Achse räumlich überlagert werden. Die räumliche Überlagerung auf einem Beleuchtungsfeld in der Beleuchtungsebene kann so gewählt werden, dass die lange Achse einer Beleuchtungslinie geformt wird. Dadurch ergibt sich in bekannter Weise ein flacher homogener Intensitätsverlauf entlang der langen Achse. Die Strahlformungseinrichtung kann eine anamorphotische Optik bilden oder Teil einer anamorphotischen Optik sein. Sie kann beispielsweise einen Linsenarray-Homogenisierer aufweisen, die auf dem Prinzip basieren, dass der oder die einfallenden Lichtstrahlen bzw. Teillichtstrahlen in viele Teilstrahlen bzw. weitere Teilstrahlen zerlegt werden, die anschließend räumlich überlagert werden. Dadurch ergibt sich ein entlang der y-Achse weitestgehend homogener Intensitätsverlauf.The partial light beams emerging from the optical beam transformation device then pass through the beam shaping device, by means of which the partial light beams are spatially superimposed along the long axis. The spatial overlay on an illumination field in the illumination plane can be selected in such a way that the long axis of an illumination line is formed. This results in a flat, homogeneous intensity profile along the long axis in a known manner. The beam shaping device can form anamorphic optics or be part of anamorphic optics. For example, it can have a lens array homogenizer which is based on the principle that the incident light beam or beams or partial light beams are split into many partial beams or further partial beams, which are then spatially superimposed. This results in a largely homogeneous intensity profile along the y-axis.
Durch die Überlagerung in y-Richtung ergibt sich auch eine Überlagerung in x-Richtung, also in Richtung der kurzen Achse. Insbesondere werden die Teillichtstrahlen so überlagert, dass die „scharfen“ Intensitätskanten der Teilstrahlen zusammenfallen. Dadurch ergibt sich auch in Richtung der kurzen Achse ein flacher, weitestgehend homogener Intensitätsverlauf mit steil abfallenden seitlichen Flanken.The superposition in the y direction also results in an overlay in the x direction, that is, in the direction of the short axis. In particular, the partial light beams are superimposed in such a way that the “sharp” intensity edges of the partial beams coincide. This also results in a flat, largely homogeneous intensity profile with steeply sloping lateral flanks in the direction of the short axis.
Die optische Abbildungseinrichtung ist nun so ausgelegt und im Strahlengang des optischen Systems angeordnet, dass die ersten Strahltransformationselemente in einer in der Beleuchtungsebene gelegenen Bildebene optisch abgebildet werden. Speziell ist die optische Abbildungseinrichtung so ausgelegt und im Strahlengang des optischen Systems räumlich so angeordnet, insbesondere in Bezug auf die ersten Strahltransformationselemente und den gewünschten Ort der Beleuchtungsebene, dass die beleuchteten ersten Strahltransformationselemente als Objekte dienen, die in der in der Beleuchtungsebene gebildeten Bildebene optisch als Bilder abgebildet werden. Dabei soll die Beleuchtungsebene eine Ebene sein, in der die durch das optische System gebildete Beleuchtungslinie zur Beleuchtung und Bearbeitung der Halbleitermaterialschicht gelegen sein soll. Die Beleuchtungsebene ist idealerweise durch die Oberfläche des zu bearbeitenden Halbleitermaterials gebildet.The optical imaging device is designed and arranged in the beam path of the optical system in such a way that the first beam transformation elements are optically imaged in an image plane located in the illumination plane. Specifically, the optical imaging device is designed and spatially arranged in the beam path of the optical system in such a way, in particular with regard to the first beam transformation elements and the desired location of the illumination plane, that the illuminated first beam transformation elements serve as objects that are optically as in the image plane formed in the illumination plane Images are mapped. The illumination plane should be a plane in which the illumination line formed by the optical system for illuminating and processing the semiconductor material layer should be located. The plane of illumination is ideally formed by the surface of the semiconductor material to be processed.
Die ersten Strahltransformationselemente können in z-Richtung voneinander beabstandet angeordnet sein. Dabei sind sie nur so wenig in z-Richtung voneinander beabstandet, dass die einzelnen, den ersten Strahltransformationselementen zugeordneten Bildlagen nur wenig voneinander beabstandet sind, beispielsweise weniger als 5 µm voneinander beabstandet sind. Insbesondere sind die Brennweite der optischen Abbildungseinrichtung, ihr Abstand zu der ersten Strahltransformationseinrichtung sowie ihr Abstand zu der zu bearbeitenden Halbleitermaterialschicht so gewählt, dass die beleuchteten reflektiven Elemente als Objekte durch die optische Abbildungseinrichtung in eine Bildebene bzw. mehrere Bildebenen auf der Halbleitermaterialschicht bzw. im oberflächennahen Bereich der Halbleitermaterialschicht übertragen und dort als Bilder abgebildet werden.The first beam transformation elements can be arranged at a distance from one another in the z direction. They are only so slightly spaced from one another in the z-direction that the individual image positions assigned to the first beam transformation elements are only slightly spaced from one another, for example less than 5 μm from one another. In particular, the focal length of the optical imaging device, its distance from the first beam transformation device and its distance from the semiconductor material layer to be processed are selected so that the illuminated reflective elements as objects through the optical imaging device into an image plane or several image planes on the semiconductor material layer or near the surface Transfer area of the semiconductor material layer and mapped there as images.
Gemäß einer Ausgestaltung ist die optische Abbildungseinrichtung so ausgebildet, dass sie die einfallenden Teillichtstrahlen nur in x-Richtung abbildet. Die optische Abbildungseinrichtung wirkt also nur in x-Richtung, und nicht in y-Richtung, wobei die x-Richtung wieder bezogen auf die Propagationsrichtung der nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen ist und eine Richtung der kurzen Achse der Teillichtstrahlen bzw. der zu einem Lichtstrahl überlagerten Teillichtstrahlen angibt. Bei einer Verkleinerung wird also nur das Licht in x-Richtung gebündelt, und nicht in y-Richtung. Die überlagerten Teillichtstrahlen können insbesondere auf einer Beleuchtungslinie abgebildet werden. Da die optische Abbildungseinrichtung in x-Richtung wirkt, werden die „scharfen“ oberen und unteren Intensitätskanten des Strahlprofils der Teillichtstrahlen nach einem zweiten Strahltransformationselement in die Bildebene übertragen und dort abgebildet, insbesondere verkleinert abgebildet, was zu einer schmalen Beleuchtungslinie mit hoher Intensität entlang der x-Achse führt.According to one embodiment, the optical imaging device is designed such that it images the incident partial light beams only in the x direction. The optical imaging device therefore only works in the x-direction and not in the y-direction, the x-direction again being based on the direction of propagation of the partial light beams deflected again and indicating a direction of the short axis of the partial light beams or the partial light beams superimposed to form a light beam . With a reduction, only the light is bundled in the x-direction and not in the y-direction. The superimposed partial light beams can in particular be imaged on an illumination line. Since the optical imaging device acts in the x-direction, the "sharp" upper and lower intensity edges of the beam profile of the partial light beams are transferred to the image plane after a second beam transformation element and are imaged there, in particular imaged in a reduced size, which leads to a narrow line of illumination with high intensity along the x-axis.
Gemäß der Offenbarung kann die optische Abbildungseinrichtung insbesondere so eingerichtet und angeordnet sein, dass die erste Anordnung in einer zu der Bildebene konjugierten Objektebene der optischen Abbildungseinrichtung liegt. Die ersten Strahltransformationselemente werden also als Objekte in der Bildebene optisch als Bild abgebildet. Dabei kann, wenn die optische Abbildungseinrichtung eine Brennweite f hat, für eine Bildweite b die Gleichung b= f*a/(a-f) gelten, wobei die Bildweite b der Abstand zwischen der bildseitigen Hauptebene der optischen Abbildungseinrichtung und der Bildebene ist, und eine Objektweite a ein Abstand zwischen der ersten Anordnung und der objektseitigen Hauptebene der optischen Abbildungseinrichtung ist. Die ersten Strahltransformationselemente der ersten Anordnung können versetzt zueinander angeordnet sein, so dass diese in unterschiedlichen zu mehreren Bildebenen konjugierten Objektebenen der optischen Abbildungseinrichtung liegen können.According to the disclosure, the optical imaging device can in particular be set up and arranged such that the first arrangement lies in an object plane of the optical imaging device that is conjugate to the image plane. The first beam transformation elements are thus optically imaged as an image as objects in the image plane. In this case, if the optical imaging device has a focal length f, the equation b = f * a / (af) can apply for an image distance b, where the image distance b is the distance between the main plane of the optical imaging device and the image plane, and an object distance a is a distance between the first arrangement and the main plane of the optical imaging device on the object side. The first beam transformation elements of the first arrangement can be arranged offset to one another, so that they can lie in different object planes of the optical imaging device that are conjugate to form several image planes.
Gemäß einer Variante kann die optische Abbildungseinrichtung so eingerichtet und angeordnet sein, dass die ersten Strahltransformationselemente verkleinert optisch abgebildet werden. Dadurch kann die Intensität entlang der kurzen Achse erhöht werden, so dass eine schmale Beleuchtungslinie mit hoher Intensität abgebildet werden kann, bei gleichzeitiger ausreichender Größe und damit guter Handbarkeit der Strahltransformationselemente.According to one variant, the optical imaging device can be set up and arranged in such a way that the first beam transformation elements are optically imaged in a reduced size. As a result, the intensity can be increased along the short axis, so that a narrow line of illumination can be imaged with high intensity, while at the same time the beam transformation elements are of sufficient size and are therefore easy to handle.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die optische Abbildungseinrichtung so eingerichtet und angeordnet sein, dass die ersten Strahltransformationselemente jeweils zwei seitliche Aufteilungskanten aufweisen, an denen der Lichtstrahl geometrisch in die Teillichtstrahlen aufgeteilt wird, wobei die jeweils zwei seitlichen Aufteilungskanten optisch in der Bildebene oder in jeweils einer Bildebene abgebildet werden. Durch die Umlenkung der Teillichtstrahlen im Raum, insbesondere durch Drehen der Teillichtstrahlen im Raum, wird auch das Strahlprofil im Raum umorientiert. So entspricht das Strahlprofil eines Teillichtstrahls entlang der kurzen Achse nach der Umorientierung, d.h. nach der zweiten Strahltransformationseinrichtung, einem Abschnitt des Strahlprofils des einfallenden Lichtstrahls entlang der langen Achse. Der Abschnitt des Strahlprofils bestimmt sich durch die Aufteilung des Lichtstrahls an den ersten Strahltransformationselementen. Dabei ergibt sich an den seitlichen Kanten der ersten Strahltransformationselemente ein steiler Abfall der Intensität. Nach der Umorientierung ist diese „scharfe“ Intensitätskante in Richtung der kurzen Achse eines Teillichtstrahls angeordnet, entlang der oberen und unteren Kanten eines zweiten Strahltransformationselements. Diese „scharfe“ Intensitätskante kann durch Abbildung der seitlichen Kanten der beleuchteten ersten Strahltransformationselemente in die Bildebene übertragen werden. Die beleuchteten ersten Strahltransformationselemente dienen also als Objekte für eine zylindrische Abbildung der seitlichen Kanten der ersten Strahltransformationselemente.According to a further embodiment, the optical imaging device can be set up and arranged in such a way that the first beam transformation elements each have two lateral dividing edges at which the light beam is geometrically divided into the partial light beams, the two lateral dividing edges optically in the image plane or in one image plane each can be mapped. By deflecting the partial light beams in space, in particular by rotating the partial light beams in space, the beam profile is also reoriented in space. The beam profile of a partial light beam along the short axis corresponds to the reorientation, i.e. after the second beam transformation device, to a section of the beam profile of the incident light beam along the long axis. The section of the beam profile is determined by the division of the light beam at the first beam transformation elements. This results in a steep drop in intensity at the lateral edges of the first beam transformation elements. After the reorientation, this “sharp” intensity edge is arranged in the direction of the short axis of a partial light beam, along the upper and lower edges of a second beam transformation element. This “sharp” intensity edge can be transferred into the image plane by mapping the lateral edges of the illuminated first beam transformation elements. The illuminated first beam transformation elements thus serve as objects for a cylindrical image of the lateral edges of the first beam transformation elements.
Die Beleuchtungsebene kann durch die Oberfläche der zu bearbeitenden Halbleitermaterialschicht gebildet sein und/oder in einem oberflächennahen Bereich der zu bearbeitenden Halbleitermaterialschicht liegen. Die ersten Strahltransformationselemente können versetzt zueinander angeordnet sein, so dass abhängig von diesem Abstand die ersten Strahltransformationselemente in verschiedene Bildebenen abgebildet werden können. Dabei ist die optische Abbildungseinrichtung so ausgebildet und so angeordnet, beispielweise mit einem relativ großen Abstand zu den ersten Strahltransformationselementen, dass der Abstand zwischen den verschiedenen Bildebenen klein ist, beispielsweise kleiner als 5 µm. Hinzu kommt, dass sich unterschiedliche Bildebenen durch verschiedene Abstände der Lichtstrahlen von der optischen Achse bei Durchtritt durch die Strahlformungseinrichtung ergeben können.The illumination plane can be formed by the surface of the semiconductor material layer to be processed and / or lie in a region of the semiconductor material layer to be processed close to the surface. The first beam transformation elements can be arranged offset from one another, so that the first beam transformation elements can be imaged in different image planes as a function of this distance. The optical imaging device is designed and arranged in such a way, for example with a relatively large distance from the first beam transformation elements, that the distance between the different image planes is small, for example less than 5 μm. In addition, different image planes can result from different distances between the light beams and the optical axis when they pass through the beam-shaping device.
Die optische Abbildungseinrichtung kann eine im Strahlengang des optischen Systems, insbesondere zwischen der optischen Strahltransformationseinrichtung und der Strahlformungseinrichtung, angeordnete Zylinderlinsenteleskopanordnung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, den Strahlquerschnitt der Teillichtstrahlen in Richtung der x-Achse zu verändern. Mittels der Zylinderlinsenteleskopanordnung kann der Abbildungsmaßstab des optischen Systems verändert bzw. eingestellt werden.The optical imaging device can have a cylindrical lens telescope arrangement arranged in the beam path of the optical system, in particular between the optical beam transformation device and the beam shaping device, which is designed to change the beam cross-section of the partial light beams in the direction of the x-axis. The imaging scale of the optical system can be changed or adjusted by means of the cylindrical lens telescope arrangement.
In einer Ausgestaltung kann die Zylinderlinsenteleskopanordnung so eingerichtet sein, dass der Strahlquerschnitt der Teillichtstrahlen in der x-Richtung verkleinert wird, also der Strahlquerschnitt in der x-Richtung ist vor der Zylinderlinsenteleskopanordnung größer als der Strahlquerschnitt in der x-Richtung nach der Zylinderlinsenteleskopanordnung. Die Zylinderlinsenteleskopanordnung ist in dieser Ausgestaltung also so ausgebildet, dass sie verkleinernd wirkt.In one embodiment, the cylinder lens telescope arrangement can be set up in such a way that the beam cross section of the partial light beams is reduced in the x direction, i.e. the beam cross section in the x direction is larger in front of the cylinder lens telescope arrangement than the beam cross section in the x direction after the cylinder lens telescope arrangement. In this refinement, the cylindrical lens telescope arrangement is designed in such a way that it has a reducing effect.
Gemäß einer weiteren Variante kann die optische Abbildungseinrichtung eine im Strahlengang hinter der Strahlformungseinrichtung angeordnete Zylinderlinsenobjektivanordnung umfassen, die dazu eingerichtet ist, in der x-Richtung abzubilden. Insbesondere ist die Zylinderlinsenobjektivanordnung dazu vorgesehen, die erste Strahltransformationsanordnung als Objekt in der Bildebene abzubilden, insbesondere verkleinert abzubilden. Die Verkleinerung durch die zylindrische Objektivanordnung kann, im Fall der Ausgestaltung der Zylinderlinsenteleskopanordnung als verkleinernde Zylinderlinsenteleskopanordnung, durch das verkleinernde Zylinderlinsenteleskop noch um einen der Verkleinerung des Zylinderlinsenteleskops entsprechenden Faktor vergrößert werden.According to a further variant, the optical imaging device can comprise a cylindrical lens objective arrangement which is arranged in the beam path behind the beam shaping device and is set up to image in the x direction. In particular, the cylindrical lens lens arrangement is provided to image the first beam transformation arrangement as an object in the image plane, in particular to image it in a reduced size. The reduction in size by the cylindrical lens arrangement can, in the case of the embodiment of FIG Cylindrical lens telescope arrangement as a reducing cylinder lens telescope arrangement, through which the reducing cylinder lens telescope can be enlarged by a factor corresponding to the reduction in size of the cylinder lens telescope.
Die Zylinderlinsenobjektivanordnung mit der Zylinderlinsenteleskopanordnung kann insbesondere eine Brennweite f haben, und eine Bildweite b der Abbildung durch die Zylinderlinsenobjektivanordnung mit der Zylinderlinsenteleskopanordnung kann der Gleichung
Wird die Zylinderlinsenteleskopanordnung als kollimierte Zylinderlinsenteleskopanordnung verwendet, das heißt, wenn die Zylinderlinsenteleskopanordnung auf unendlich-unendlich eingestellt ist und der Strahlengang der einfallenden Teillichtstrahlen also parallel und der austretenden Teillichtstrahlen leicht divergent ist, entspricht die Brennweite der obigen Gleichung der Brennweite der Zylinderlinsenobjektivanordnung, die Bildweite b ist der Abstand zwischen der bildseitigen Hauptebene der Zylinderlinsenobjektivanordnung und der Bildebene, und die Objektweite a ist ein Abstand zwischen der ersten Anordnung und der objektseitigen Hauptebene der Zylinderlinsenobjektivanordnung.If the cylinder lens telescope arrangement is used as a collimated cylinder lens telescope arrangement, i.e. if the cylinder lens telescope arrangement is set to infinite-infinite and the beam path of the incident partial light rays is parallel and the exiting partial light rays are slightly divergent, the focal length of the above equation corresponds to the focal length of the cylinder lens lens arrangement, the image distance b is the distance between the image-side main plane of the cylinder lens lens arrangement and the image plane, and the object distance a is a distance between the first arrangement and the object-side main plane of the cylinder lens lens arrangement.
Gemäß einer noch weiteren Variante können die zweiten Strahltransformationselemente jeweils verstellbar bezüglich einer Raumposition und einem Neigungswinkel relativ zu der Propagationsrichtung des einfallenden Teillichtstrahles sein. Durch diese Möglichkeiten der Feinjustierung kann erreicht werden, dass der Intensitätsverlauf der Teilstrahlen so in der x-Richtung überlagert wird, dass die scharfen Kanten des Intensitätsverlaufs des Strahlprofils der Teilstrahlen zusammenfallen und sich ein flacher kombinierter Intensitätsverlauf ergibt.According to yet another variant, the second beam transformation elements can each be adjustable with respect to a spatial position and an angle of inclination relative to the direction of propagation of the incident partial light beam. These possibilities of fine adjustment can achieve that the intensity profile of the partial beams is superimposed in the x-direction in such a way that the sharp edges of the intensity profile of the beam profile of the partial beams coincide and a flat combined intensity profile results.
In einer möglichen Anordnung können die ersten Strahltransformationselemente so ausgebildet und angeordnet sein, dass die Propagationsrichtung der Teillichtstrahlen um 90° umgelenkt bezüglich der Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls ist, und/oder dass die zweiten Strahltransformationselemente so ausgebildet und angeordnet sind, dass eine Propagationsrichtung der nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen um 90° umgelenkt bezüglich der Propagationsrichtung der Teillichtstrahlen ist. In einer solchen Anordnung kann beispielweise die Propagationsrichtung der nochmals umgelenkten Teilstrahlen der y-Richtung des einfallenden Lichtstrahls entsprechen, also der Richtung der langen Achse des einfallenden Lichtstrahls.In one possible arrangement, the first beam transformation elements can be designed and arranged so that the direction of propagation of the partial light beams is deflected by 90 ° with respect to the direction of propagation of the incident light beam, and / or that the second beam transformation elements are designed and arranged so that a propagation direction of the once again deflected Partial light beams is deflected by 90 ° with respect to the direction of propagation of the partial light beams. In such an arrangement, for example, the direction of propagation of the partial beams deflected again can correspond to the y-direction of the incident light beam, that is to say the direction of the long axis of the incident light beam.
Bei einer Ausgestaltung umfassen die erste und/oder zweite Anordnung jeweils zwei oder mehr reflektive Elemente. Bei dieser Ausgestaltung bilden oder umfassen die Strahltransformationselemente die reflektiven Elemente. Die Änderung der Propagationsrichtung ist dann durch Reflektion des Lichtes an den reflektiven Elementen bedingt. In einer alternativen Ausgestaltung können die Strahltransformationselemente refraktive Elemente bilden oder umfassen, wobei die Propagationsrichtung sich durch Brechung des Lichts an den Grenzflächen der refraktiven Elemente ändert.In one configuration, the first and / or second arrangement each comprise two or more reflective elements. In this embodiment, the beam transformation elements form or include the reflective elements. The change in the direction of propagation is then caused by the reflection of the light on the reflective elements. In an alternative embodiment, the beam transformation elements can form or comprise refractive elements, the direction of propagation changing due to the refraction of the light at the interfaces of the refractive elements.
Die erste Anordnung kann eine erste Treppenspiegelanordnung mit ersten reflektiven Elementen umfassen, die versetzt zueinander angeordnet sind, und die zweite Anordnung kann eine zweite Treppenspiegelanordnung mit zweiten reflektiven Elementen umfassen, die jeweils versetzt zueinander angeordnet sind.The first arrangement can comprise a first staircase mirror arrangement with first reflective elements, which are arranged offset from one another, and the second arrangement can comprise a second staircase mirror arrangement with second reflective elements, which are respectively arranged offset from one another.
In manchen optischen Anordnungen, wie beispielsweise Anordnungen zum Annealen dünner Halbleiterschichten, beispielweise dünner a-Si Schichten, werden mehrere Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen, benötigt, um ausreichend Pulsenergie in einer langen Linie zur Verfügung zu stellen. Das optische System kann insbesondere mindestens eine Lichtquelle zur Bereitstellung einer Vielzahl an Lichtstrahlen aufweisen, eine Vielzahl an optischen Strahltransformationsanordnungen mit jeweils einer ersten Anordnung mit mehreren ersten Strahltransformationselementen, wobei die ersten optischen Anordnungen jeweils dazu eingerichtet sind, einen einfallenden Lichtstrahl von der Vielzahl an einfallenden Lichtstrahlen, deren Strahlprofil jeweils eine kurze Achse in einer x-Richtung und eine lange Achse in einer y-Richtung aufweist, wobei die x-Richtung und die y-Richtung jeweils senkrecht zu einer Propagationsrichtung des jeweiligen Lichtstrahls sind, entlang der langen Achse geometrisch in Teillichtstrahlen aufzuteilen, wobei eine Propagationsrichtung der Teillichtstrahlen verschieden von der Propagationsrichtung des jeweiligen einfallenden Lichtstrahls ist. Die Vielzahl an optischen Strahltransformationsanordnungen weisen ferner jeweils eine zweite Anordnung mit zweiten Strahltransformationselementen auf, wobei die zweiten Anordnungen jeweils im Strahlengang einer der aus einem einfallenden Lichtstrahl abgeteilten Teillichtstrahlen angeordnet sind und jeweils dazu eingerichtet sind, die umgelenkten Teillichtstrahlen nochmals umzulenken, wobei ein Strahlprofil eines nochmals umgelenkten Teillichtstrahles in x-Richtung, bezogen auf die Propagationsrichtung des nochmals umgelenkten Teillichtstrahls, einem Strahlprofilabschnitt des jeweiligen einfallenden Lichtstrahls in y-Richtung, bezogen auf die Propagationsrichtung des jeweiligen einfallenden Lichtstrahls, entspricht. Das optische System kann ferner eine im Strahlengang der aus der Vielzahl an einfallenden Lichtstrahlen abgeteilten Teillichtstrahlen angeordnete, der Vielzahl an optischen Strahltransformationsanordnungen nachgeordnete Strahlformungseinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die aus der Vielzahl an einfallenden Lichtstrahlen abgeteilten Teillichtstrahlen bezüglich der y-Richtung räumlich als eine in einer Beleuchtungsebene gelegene Beleuchtungslinie zu überlagern, und eine im Strahlengang der aus der Vielzahl an einfallenden Lichtstrahlen abgeteilten Teillichtstrahlen angeordnete, der Vielzahl an optischen Strahltransformationsanordnungen nachgeordnete optische Abbildungseinrichtung, die so eingerichtet und angeordnet ist, dass die ersten Strahltransformationselemente der Vielzahl an ersten Anordnungen in einer in der Beleuchtungsebene gelegenen Bildebene optisch abgebildet werden. Bei dieser Anordnung wird also für jeden Lichtstrahl eine optische Strahltransformationsanordnung bereitgestellt. Für jede dieser optischen Strahltransformationsanordnungen kann das gleiche gelten, wie oben bezüglich der Anordnung mit nur einer optischen Strahltransformationsanordnung erläutert wurde. Bei diesem System ist dann wie bei dem davor diskutierten System nur eine Strahlformungseinrichtung und nur eine optische Abbildungseinrichtung vorgesehen, wie bei dem oben diskutierten System, für die dann auch das Gleiche gelten kann.In some optical arrangements, such as arrangements for annealing thin semiconductor layers, for example thin a-Si layers, several light beams, in particular laser beams, are required in order to provide sufficient pulse energy in a long line. The optical system can in particular have at least one light source for providing a plurality of light beams, a plurality of optical beam transformation arrangements each with a first arrangement with a plurality of first beam transformation elements, the first optical arrangements each being set up to receive an incident light beam from the plurality of incident light beams whose beam profile each has a short axis in an x-direction and a long axis in a y-direction, the x-direction and the y-direction each being perpendicular to a direction of propagation of the respective light beam, along the long axis geometrically in partial light beams to be divided, with a direction of propagation of the partial light beams different from the direction of propagation of the respective incident Light beam is. The plurality of optical beam transformation arrangements each also have a second arrangement with second beam transformation elements, the second arrangements each being arranged in the beam path of one of the partial light beams split off from an incident light beam and each being set up to deflect the deflected partial light beams again, with a beam profile one more The deflected partial light beam in the x direction, based on the direction of propagation of the partial light beam deflected again, corresponds to a beam profile section of the respective incident light beam in the y direction, related to the propagation direction of the respective incident light beam. The optical system can furthermore have a beam-shaping device arranged in the beam path of the partial light beams divided from the plurality of incident light beams and arranged downstream of the plurality of optical beam transformation arrangements, which is configured to spatially separate the partial light beams from the plurality of incident light beams as one to superimpose an illumination line located in an illumination plane, and an optical imaging device arranged downstream of the plurality of optical beam transformation arrangements and arranged in the beam path of the partial light beams separated from the plurality of incident light beams, which is set up and arranged such that the first beam transformation elements of the plurality of first arrangements in a are optically imaged in the image plane located in the illumination plane. In this arrangement, an optical beam transformation arrangement is provided for each light beam. The same can apply to each of these optical beam transformation arrangements, as was explained above with regard to the arrangement with only one optical beam transformation arrangement. In this system, as in the system discussed above, only one beam-shaping device and only one optical imaging device are provided, as in the system discussed above, for which the same can then also apply.
Die Offenbarung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. In diesen zeigen:
- -
1 eine schematische Ansicht einer Halbleitermaterialschicht, die mit einer bezüglich der Halbleitermaterialschicht in Vorschubrichtung bewegten Beleuchtungslinie belichtet wird zur Bearbeitung der Halbleitermaterialschicht; - -
2a bis2c die Liniengeometrie der abgebildeten Beleuchtungslinie; - -
3a und 3b eine schematische Ansicht eines optischen Systems für eine Homogenisierung der Intensität von Lichtstrahlung, mittels dem eine Beleuchtungslinie mit homogener Intensität sowohl in der kurzen Achse als auch in der langen Achse geformt und auf einem Halbleitermaterial abgebildet werden kann; - -
4 in schematischer Ansicht eine Ausführungsform der optischen Strahltransformationseinrichtung als Anordnung zweier Treppenspiegelanordnungen; - -
5a in schematischer Ansicht das Gaußsche Intensitätsprofil des einfallenden Lichtstrahls in Richtung der langen Achse des einfallenden Lichtstrahls, das an den ersten Strahltransformationselementen in einzelne Intensitätsabschnitte aufgeteilt wird; - -
5b-1 bis 5b-4 die den einzelnen, den ersten Strahltransformationselementen zugeordneten Intensitätsabschnitte nach Durchlaufen der optischen Abbildungseinrichtung, aber ohne Überlagerung durch die Strahlformungseinrichtung; - -
5c den kombinierten Intensitätsverlauf, der sich durch Überlagerung der Intensitätsprofilabschnitte ergibt; und - -
6 in schematischer Ansicht eine Ausführungsform eines optischen Systems, bei dem ein Bildlagenausgleich durch Verstellen der Zylinderlinsenteleskopanordnung und/oder durch Vorsehen einer oder mehrerer Strahlumwege erreicht werden kann.
- -
1 a schematic view of a semiconductor material layer which is exposed to an illumination line moved in the feed direction with respect to the semiconductor material layer for processing the semiconductor material layer; - -
2a until2c the line geometry of the imaged lighting line; - -
3a and3b a schematic view of an optical system for a homogenization of the intensity of light radiation, by means of which an illumination line with homogeneous intensity can be formed both in the short axis and in the long axis and can be imaged on a semiconductor material; - -
4th a schematic view of an embodiment of the optical beam transformation device as an arrangement of two staircase mirror arrangements; - -
5a in a schematic view the Gaussian intensity profile of the incident light beam in the direction of the long axis of the incident light beam, which is divided into individual intensity sections at the first beam transformation elements; - -
5b-1 until5b-4 the intensity sections assigned to the individual, the first beam transformation elements after passing through the optical imaging device, but without superimposition by the beam shaping device; - -
5c the combined intensity profile that results from the superposition of the intensity profile sections; and - -
6th a schematic view of an embodiment of an optical system in which an image position compensation can be achieved by adjusting the cylindrical lens telescope arrangement and / or by providing one or more beam detours.
In der
Ein Laserstrahl
Typische Vorschubgeschwindigkeiten liegen im Bereich zwischen 5 mm/s und 50 mm/s.Typical feed speeds are in the range between 5 mm / s and 50 mm / s.
Die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls
Mögliche Liniengeometrien des Laserstrahls
Dabei zeigt die
In den
Typische Breiten für die Intensität in x-Richtung betragen zwischen 30 µm und 100 µm. Bei dem gaußförmigen Verlauf
Der flache Verlauf
Wird die Beleuchtungslinie
In den
Das optische System
Die Lichtstrahlung kann beispielsweise die von einem UV-Festkörperlaser emittierte Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 343 nm sein. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, dass andere Lichtquellen, insbesondere andere Laserlichtquellen wie andere Festkörperlaserquellen verwendet werden, beispielsweise Festkörperlaser, die im grünen Spektralbereich emittieren.The light radiation can be, for example, the laser radiation emitted by a UV solid-state laser with a wavelength of 343 nm. In principle, however, it is also possible to use other light sources, in particular other laser light sources such as other solid-state laser sources, for example solid-state lasers which emit in the green spectral range.
Dabei ist in den
Die
Die optische Strahltransformationseinrichtung
Die ersten und zweiten Treppenspiegelanordnungen
Die erste Treppenspiegelanordnung
Die zweite Treppenspiegelanordnung
Im hier gezeigten Beispiel sind jeweils vier Treppenspiegelelemente
Wie der
Wie der
Die oben beschriebene optische Strahltransformationseinrichtung
Diese Teillichtstrahlen
Der Lichtstrahl bestehend aus den Teillichtstrahlen
Im Strahlengang nach der Zylinderlinsenteleskopanordnung
Die Strahlformungseinrichtung
Die Kombination aus der anamorphotischen Homogenisierungsoptik
Insbesondere kann die Strahlformungseinrichtung
- - eine erste Kollimationszylinderlinse, in
der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 54 versehen, zur Kollimation von bezüglich der x-Achse emittierten Laserstrahlen, - - eine zweite Kollimationszylinderlinse, in
der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 56 versehen, zur Kollimation von bezüglich der y-Achse emittierten Laserstrahlen, - - eine im Strahlengang hinter der ersten Kollimationszylinderlinse angeordnete Zylinderlinse, in
der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 58 versehen, zur Fokussierung der Lichtstrahlen bezüglich der x-Achse auf ein Zwischenbild, inder DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 60 versehen, - - eine im Strahlengang hinter der ersten Kollimationszylinderlinse angeordnete Zwischenkollimationszylinderlinse zur Kollimation der Lichtstrahlen des ersten Zwischenbildes, und/oder
- - eine im Strahlengang hinter dem ersten Zwischenbild, insbesondere hinter der Zwischenkollimationszylinderlinse angeordnete weitere Zylinderlinse, in
der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 62 versehen, zur Fokussierung der Lichtstrahlen bezüglich der x-Achse auf ein zweites Zwischenbild, inder DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 64 versehen.
- - a first collimation cylinder lens in which
DE 10 2012 007 601 A1reference numerals 54 provided, for the collimation of laser beams emitted with respect to the x-axis, - - a second collimation cylinder lens in which
DE 10 2012 007 601 A1reference numerals 56 provided, for the collimation of laser beams emitted with respect to the y-axis, - - A cylinder lens arranged in the beam path behind the first collimation cylinder lens, in which
DE 10 2012 007 601 A1reference numerals 58 provided, for focusing the light rays with respect to the x-axis on an intermediate image in whichDE 10 2012 007 601 A1reference numerals 60 Mistake, - an intermediate collimation cylinder lens arranged in the beam path behind the first collimation cylinder lens for collimation of the light rays of the first intermediate image, and / or
- - A further cylindrical lens arranged in the beam path behind the first intermediate image, in particular behind the intermediate collimation cylinder lens, in which
DE 10 2012 007 601 A1reference numerals 62 provided, for focusing the light beams with respect to the x-axis on a second intermediate image in whichDE 10 2012 007 601 A1reference numerals 64 Mistake.
Die oben beschriebene anamorphotische Homogenisierungsoptik
Die oben beschriebene Kondensorzylinderlinse
Der Kondensorzylinderlinse
Die zylindrische Objektivanordnung
Das optische System
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist nun die optische Abbildungseinrichtung
In der
Die Bildebene
Die zylindrische Objektivanordnung
Zu der verkleinernden Abbildung durch die zylindrische Objektivanordnung
Auf diese Weise ist es möglich, kleine Bilder der Treppenspiegelelemente in Richtung der x-Achse auf der Bildebene, also auf der Beleuchtungsebene der Halbleitermaterialschicht, zu bilden. Die Bilder der Treppenspiegelelemente ergeben die kurze Achse der Beleuchtungslinie. Damit ergibt sich eine schmale Linie mit relativ hoher Intensität in der x-Richtung.In this way, it is possible to form small images of the staircase mirror elements in the direction of the x-axis on the image plane, that is to say on the illumination plane of the semiconductor material layer. The images of the staircase mirror elements result in the short axis of the lighting line. This results in a narrow line with a relatively high intensity in the x direction.
Die Intensität ist ferner homogen entlang der x-Achse, mit relativ steilen seitlichen Flanken, wie im Folgenden genauer dargelegt wird.The intensity is also homogeneous along the x-axis, with relatively steep lateral flanks, as will be explained in more detail below.
Wie oben bezüglich der anamorphotischen Homogenisierungsoptik
Die Teillichtstrahlen
Die
Dabei zeigt die Linie
Durch die zweite Umlenkung an den zweiten Strahltransformationselementen
Wie oben erläutert, da die Teillichtstrahlen
Um den flach verlaufenden homogenisierten Intensitätsverlauf
Durch die Abbildung in x-Richtung durch die Abbildungseinrichtung
Folgendes Beispiel soll die oben diskutierten Zusammenhänge erläutern:
- An der ersten Treppenspiegelanordnung
32a wird ein zylindrisch aufgeweiteter Lichtstrahl38 von 20 mm x 4 mm in 4Teillichtstrahlen 42 geteilt.Die ersten Treppenspiegelelemente 40 haben jeweils eine Breite (Ausdehnung in y-Richtung des Lichtstrahls38 ) von 5 mm, so dass dieTeillichtstrahlen 42 auch eine entsprechende Abmessung in dieser Richtung haben.Die ersten Treppenspiegelelemente 40 haben typischerweise einen Abstand im Bereich von 3 m bis 5 m zur Abbildungslinse60 , er kann sogar noch mehr betragen.Eine Abbildungslinse 60 mit der Brennweite f=150 mm führt zu einem Verkleinerungsmaßstab von ca. 30x. Stellt man die Verkleinerung mitdem kollimierten Zylinderlinsenteleskop 54 auf z. B. 100x ein, so erhält man 5mm/100= 50 µm als Breite für die Treppenspiegelelementbilder. Da die Treppenspiegelelementbilder gedreht wurden, ist diese Breite die Abmessung in x-Richtung (kurze Achse).
- At the first
staircase mirror arrangement 32a becomes a cylindrically expandedlight beam 38 of 20 mm x 4 mm in 4 partiallight beams 42 divided. The firststair mirror elements 40 each have a width (expansion in the y-direction of the light beam38 ) of 5 mm, so that the partiallight rays 42 also have a corresponding dimension in this direction. The firststair mirror elements 40 typically have a distance in the range of 3 m to 5 m from theimaging lens 60 , it can be even more. Animaging lens 60 with the focal length f = 150 mm leads to a reduction scale of approx. 30x. If you set the reduction with the collimatedcylindrical lens telescope 54 on z. B. 100x, you get 5mm / 100 = 50 µm as the width for the stair mirror element images. Since the stair mirror element images were rotated, this width is the dimension in the x-direction (short axis).
Die beugungsbegrenzte Auflösung der zylindrischen Abbildung liefert bei typischen numerischen Aperturen zwischen 0,1 und 0,15 der Zylinderlinsenobjektivanordnung
Wie der
Anordnungen zum Annealen dünner Halbleiterschichten, beispielweise dünner a-Si Schichten, benötigen mehrere Laserstrahlen, um ausreichend Pulsenergie in einer langen Linie zur Verfügung zu stellen. Werden mehrere Laserstrahlen benutzt, wird das optische System
Aus geometrischen Anordnungsgründen können größere Wegunterschiede von den Treppenspiegelanordnungen
Um diese Unterschiede in den Bildlagen auszugleichen, ist das optische System entweder so ausgebildet, dass durch zusätzliche reflektive Elemente im Strahlengang Strahlumwege für manche Lichtstrahlen eingebaut werden. Solche zusätzliche reflektive Elemente
Das offenbarte optische System ist also so ausgelegt, dass die durch den einfallenden Lichtstrahl beleuchteten ersten Elemente der Strahltransformationsanordnung als Objekte dienen, die durch die optische Abbildungseinrichtung optisch als Bilder verkleinert in der Beleuchtungsebene auf bzw. in der Halbleitermaterialschicht abgebildet werden. Durch die Strahlformungseinrichtung werden die Bilder in der y-Richtung (lange Achse) räumlich überlagert und damit räumlich überlagert abgebildet. Insbesondere werden durch die optische Abbildungseinrichtung Kanten der beleuchteten Strahltransformationsanordnung so verkleinert abgebildet, dass sich eine schmale Beleuchtungslinie in x-Richtung mit hoher, annähernd konstanter Intensität in der x-Richtung ergibt, wobei die Intensität an den Rändern der Beleuchtungslinie steil abfällt. Dabei wirkt sowohl die Zylinderlinsenteleskopanordnung als auch die optische Abbildungseinrichtung verkleinernd. Eine Beleuchtungslinie mit dieser Charakteristik entlang der kurzen Achse kann regelmäßige polykristalline Kornstrukturen erzeugen.The disclosed optical system is designed so that the first elements of the beam transformation arrangement illuminated by the incident light beam serve as objects that are optically reduced as images in the illumination plane on or in the semiconductor material layer by the optical imaging device. By means of the beam shaping device, the images are spatially superimposed in the y-direction (long axis) and are thus mapped spatially superimposed. In particular, the optical imaging device shows the edges of the illuminated beam transformation arrangement so reduced that there is a narrow line of illumination in the x direction with high, approximately constant intensity in the x direction, the intensity falling steeply at the edges of the line of illumination. Both the cylindrical lens telescope arrangement and the optical imaging device have the effect of reducing the size. A line of illumination with this characteristic along the short axis can produce regular polycrystalline grain structures.
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