DE102021113406A1

DE102021113406A1 - Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene

Info

Publication number: DE102021113406A1
Application number: DE102021113406.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Flamm; Andreas Heimes
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2021-05-25
Filing date: 2021-05-25
Publication date: 2022-12-01
Also published as: WO2022248209A1; KR20240006068A; CN117377893A

Abstract

Eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene (50) besitzt eine Laserlichtquelle (12), die dazu eingerichtet ist, einen Laserrohstrahl (14) mit einem ersten Winkelspektrum (26) zu erzeugen. Eine optische Anordnung (64) nimmt den Laserrohstrahl (14) auf und formt ihn entlang einer optischen Achse (20) zu einem Beleuchtungsstrahl (48) um. Der Beleuchtungsstrahl (48) definiert eine Strahlrichtung (52), die die Arbeitsebene (50) schneidet. Die optische Anordnung (64) weist zumindest zwei Mikrolinsenarrays (38, 40) auf, die mit einem definierten Abstand (42) voneinander entlang der optischen Achse (20) angeordnet sind. Der definierte Abstand (42) ist so gewählt ist, dass der Beleuchtungsstrahl (48) im Bereich der Arbeitsebene (50) ein Beleuchtungsstrahlprofil (47) besitzt, das eine Vielzahl von separaten Beleuchtungsspots (46) beinhaltet. Die optische Anordnung (64) weist ferner ein Strahlformungselement (24; 60) auf, das entlang der optischen Achse (20) vor den zumindest zwei Mikrolinsenarrays (38, 40) angeordnet ist. Das Strahlformungselement (24; 60) erzeugt ein zweites Winkelspektrum (32), das von dem ersten Winkelspektrum (26) verschieden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene, mit einer Laserlichtquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Laserrohstrahl mit einem ersten Winkelspektrum zu erzeugen, und mit einer optischen Anordnung, die den Laserrohstrahl aufnimmt und entlang einer optischen Achse zu einem Beleuchtungsstrahl umformt, wobei der Beleuchtungsstrahl eine Strahlrichtung definiert, die die Arbeitsebene schneidet, wobei die optische Anordnung zumindest zwei Mikrolinsenarrays aufweist, die mit einem definierten Abstand voneinander entlang der optischen Achse angeordnet sind, und wobei der definierte Abstand so gewählt ist, dass der Beleuchtungsstrahl im Bereich der Arbeitsebene ein Beleuchtungsstrahlprofil besitzt, das eine Vielzahl von separaten Beleuchtungsspots beinhaltet.
Eine solche Vorrichtung ist in DE 10 2018 211 972 B4 offenbart.
Eine definierte Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene wird vielfach benötigt, um Werkstücke zu bearbeiten. Das Werkstück kann beispielsweise ein Kunststoffmaterial auf einer Glasplatte sein, die als Träger dient. Das Kunststoffmaterial kann beispielsweise eine Folie sein, auf der organische lichtemittierende Dioden, sogenannte OLEDs, und/oder Dünnschichttransistoren hergestellt werden. OLED-Folien werden zunehmend für Displays in Smartphones, Tablet-PCs, Fernsehgeräten und anderen Geräten mit Bildschirmanzeige verwendet. Nach Herstellung der elektronischen Strukturen muss die Folie von dem Glasträger gelöst werden. Dies kann vorteilhaft mit einer Laserbeleuchtung geschehen, die mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Glasplatte bewegt wird und dabei die haftende Verbindung der Folie durch die Glasplatte hindurch löst. In einigen Fällen kann die Laserbeleuchtung eine dünne Laserlinie sein. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als LLO bzw. Laser Lift Off bezeichnet.
Eine andere Anwendung, bei der ein Werkstück mit einer definierten Laserlinie beleuchtet wird, kann das zeilenweise Aufschmelzen von amorphem Silizium auf einer Trägerplatte sein. Die Laserlinie wird auch hier mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Werkstückoberfläche bewegt. Durch das Aufschmelzen kann das vergleichsweise kostengünstige amorphe Silizium in höherwertigeres polykristallines Silizium umgewandelt werden. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als Excimer Laser Annealing bzw. ELA bezeichnet. Beim ELA Prozess wird das amorphe Silizium auf der Trägerplatte nahezu vollständig aufgeschmolzen und kristallisiert beim Abkühlen in vertikaler Richtung. Der Prozess ist sehr energieintensiv und das Bearbeitungsfenster für das Silizium ist sehr klein und stellt hohe Anforderungen an die Homogenität und Leistungsstabilität der Laserlinie. Ein alternatives Verfahren zum Umwandeln von amorphem Silizium auf einer Trägerplatte in höherwertigeres polykristallines Silizium ist aus zwei Publikationen von Ludolf Herbst, Frank Simon et al. bekannt, nämlich „Advances in excimer laser annealing for LTPS manufacturing“, 49-3 IMID 2009 DIGEST und „17- 4: New Technology for Creation of LTPS with Excimer Laser Annealing“, Asia Display/IMID 04 Proceedings. Das alternative Verfahren wird als Sequential Lateral Solidification bzw. SLS bezeichnet und verwendet einen strukturierten Laserstrahl, mit dem das amorphe Silizium lokal selektiv aufgeschmolzen wird, wobei eine Kristallbildung in lateraler Richtung von den ungeschmolzenen Nachbarbereichen ausgeht. Mit Hilfe einer Maske im Strahlengang des Lasers wird eine periodische Struktur auf der Bearbeitungsfläche erzeugt.
Weitere Anwendungen für eine definierte Laserbeleuchtung beinhalten den sogenannten Laser Induced Forward Transfer (LIFT), d.h. einen Transfer von bereits abgelösten Halbleiterbauelementen auf einen anderen Träger, wie zum Beispiel den Transfer von abgelösten und vereinzelten Mikro-LEDs (µLEDs) auf ein zukünftiges Display, sowie Laserschneid- oder Laserstanzprozesse. Je nach Werkstück und Anwendung wird eine individuelle definierte Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene benötigt.
WO 2018/019374 A1 offenbart eine Vorrichtung, mit der eine definierte Laserlinie auf einer Arbeitsebene erzeugt werden kann. Die Vorrichtung beinhaltet einen Kollimator, der einen Laserrohstrahl kollimiert, sowie einen Strahltransformator, einen Homogenisierer und eine Fokussierstufe. Der Strahltransformator nimmt den kollimierten Rohstrahl auf und weitet ihn in einer Richtung quer zur Strahlrichtung auf. Prinzipiell kann der Strahltransformator auch mehrere Laser-Rohstrahlen von mehreren Laserquellen aufnehmen und zu einem aufgeweiteten Laserstrahl mit höherer Leistung kombinieren. Der Homogenisierer kann ein oder mehrere Multilinsenarrays aufweisen, mit denen der aufgeweitete Laserstrahl in der langen Richtung homogenisiert wird, so dass er einen möglichst rechteckförmigen (Tophat-förmigen) Intensitätsverlauf in der langen Achse erhält. Die Fokussierstufe fokussiert den umgeformten Laserstrahl auf eine definierte Position im Bereich der Arbeitsebene. Die bekannte Vorrichtung eignet sich allgemein für LLO- und SLA-Anwendungen. Sie ist jedoch für einige spezielle LLO-Anwendungen nicht optimal, wie etwa das Lösen von µLEDs. Für einen solchen Fall wäre es wünschenswert, eine Vielzahl von separaten, jeweils Tophat-förmigen Intensitätsprofilen bereitzustellen. Beispielsweise kann eine Anordnung gewünscht sein, bei der eine Vielzahl von separaten Tophat-förmigen Intensitätsprofilen entlang einer Linie äquidistant nebeneinander angeordnet sind. Eine solche Laserbeleuchtung bietet die Vorrichtung aus WO 2018/019374 A1 nicht.
Die eingangs genannte DE 10 2018 211 972 B4 offenbart eine optische Anordnung zur Erzeugung eines Strahlprofils mit einer Vielzahl von separaten Beleuchtungsspots, die entlang einer Linie oder über eine Fläche verteilt sind. Die Anordnung beinhaltet mehrere Mikrolinsenarrays mit nebeneinander angeordneten Mikrolinsen, die jeweils eine einheitliche Apertur a aufweisen, sowie eine nachfolgende Fourierlinsenanordnung. Des Weiteren besitzt die optische Anordnung eine Verstellmechanik, mit der ein gegenseitiger Abstand von zumindest einigen der Mikrolinsenarray verstellbar ist. Dadurch ist die effektive Brennweite der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays einstellbar. Die Verstellmechanik besitzt mehrere auswählbare Verstellpositionen, an denen das Verhältnis $\frac{a^{2}}{λ \cdot f_{M L, i}}$
zumindest näherungsweise eine natürliche Zahl ist, wobei a die einheitliche Apertur der einzelnen Mikrolinsen ist, λ die mittlere Wellenlänge des Laserstrahls ist und f_ML,i die durch die Verstellposition i eingestellte effektive Brennweite f_ML der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays ist.
Die bekannte Anordnung macht es möglich, die Anzahl der aus einem Laserstrahl erzeugten Beleuchtungsspots zu variieren, wobei eine gleichmäßige Intensitätsverteilung erhalten wird. Der jeweilige Intensitätsverlauf der Laserbeleuchtung auf der Arbeitsebene an den separaten Beleuchtungsspots ist allerdings nicht weiter variierbar. Angesichts dessen besteht der Wunsch, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art weiterzubilden, um eine noch größere Flexibilität bei der Bearbeitung von Werkstücken zu ermöglichen. Wünschenswert ist insbesondere, nicht nur die Anzahl sondern auch die Größe der einzelnen Beleuchtungsspots variieren zu können. Es ist dementsprechend eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der die Erzeugung einer noch variableren Multispotbeleuchtung auf effiziente Weise möglich ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei der die optische Anordnung ferner ein Strahlformungselement aufweist, das entlang der optischen Achse vor den zumindest zwei Mikrolinsenarrays angeordnet ist, wobei das Strahlformungselement ein zweites Winkelspektrum erzeugt, das von dem ersten Winkelspektrum verschieden ist.
Entgegen bisherigen Annahmen hat sich gezeigt, dass eine Strahlformung vor den Mikrolinsenarrays sehr vorteilhaft verwendet werden kann, um das Strahlprofil im Bereich der Arbeitsebene weiter variieren zu können. Eine Strahlformung vor den Mikrolinsenarrays ist kostengünstig und effizient, weil sie sich „zentral“ auf den Laserstrahl auswirkt, bevor dieser mit Hilfe der Mikrolinsenarrays in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird. „Vor den Mikrolinsenarrays“ bedeutet hier, dass das Strahlformungselement entlang der optischen Achse zwischen der Laserlichtquelle und den zumindest zwei Mikrolinsenarrays angeordnet ist, mit deren Hilfe die separaten Beleuchtungsspots erzeugt werden. Das Strahlformungselement sitzt also strahlaufwärts von den zumindest zwei Mikrolinsenarrays. Es hat sich gezeigt, dass jeder der mit Hilfe der Mikrolinsenarrays erzeugten Beleuchtungsspots das Winkelspektrum der Mikrolinsenbeleuchtung repräsentiert. Daher kann hier eine Fernfeld-Strahlformung vorteilhaft schon früh im Strahlengang und somit vor den Mikrolinsenarrays vorgenommen werden. Der Laserstrahl mit einem gewünschten zweiten Winkelspektrum wird mit Hilfe der Mikrolinsenarrays auf effiziente Weise aufgeteilt und das gewünschte zweite Winkelspektrum wird zu mehreren separaten Beleuchtungsspots vervielfältigt.
Die neue Vorrichtung besitzt daher einen weiteren Freiheitsgrad in Bezug auf die Erzeugung einer Vielzahl von Beleuchtungsspots. Mit Hilfe der Strahlformung vor den Mikrolinsenarrays kann das Winkelspektrum der Beleuchtungsspots eingestellt werden. Damit ist es insbesondere möglich, die jeweilige Ausdehnung und Form der Beleuchtungsspots auf der Arbeitsebene zu variieren bzw. einzustellen. Die oben genannte Aufgabe ist vollständig gelöst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das zweite Winkelspektrum ein Tophat-förmiges Intensitätsprofil auf.
Ein Tophat-förmiges Intensitätsprofil ist für viele Anwendungen von Vorteil, da es eine Bearbeitungsstelle auf der Arbeitsebene scharf abgrenzt. Es ermöglicht eine filigrane Bearbeitung und/oder eine Erzeugung von feinen Strukturen und eignet sich besonders für eine simultane Oberflächenbearbeitung auf engem Raum, wie etwa lokales Schmelzen oder lokale Schneidprozesse an einer Vielzahl von Bearbeitungsstellen. Die zentrale Strahlformung vor den Mikrolinsenarrays wird hier vorteilhaft genutzt, um ein gleichmäßiges Tophat-förmiges Intensitätsprofil für eine Vielzahl von Beleuchtungsspots zu erzeugen.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das erste Winkelspektrum in einer Ebene senkrecht zu der optischen Achse einen ersten Footprint auf und das zweite Winkelspektrum weist in einer weiteren Ebene senkrecht zu der optischen Achse einen zweiten Footprint auf, der verschieden von dem ersten Footprint ist.
Der Footprint repräsentiert den Umriss eines mit dem Laserstrahl erzeugten Beleuchtungsspots. Er repräsentiert daher insbesondere die geometrische Form des Beleuchtungsspots auf einer Ebene senkrecht zu der Strahlrichtung bzw. senkrecht zu der optischen Achse. Er repräsentiert ferner die Flächenausdehnung des erzeugten Beleuchtungsspots auf der Ebene. In bevorzugten Ausführungsbeispielen können sich der erste Footprint und der zweite Footprint daher in Bezug auf die jeweilige geometrische Form und/oder in Bezug auf die Flächenausdehnung voneinander unterscheiden. Die Ausgestaltung macht es möglich, die Ausdehnung und Form der Beleuchtungsspots auf der Arbeitsebene auf effiziente Weise einzustellen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der zweite Footprint polygonal, insbesondere rechteckig, fünfeckig, sechseckig oder achteckig. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen besitzt der zweite Footprint ein Seitenverhältnis (maximale Länge zu maximaler Breite), das im Bereich von 1 liegt, insbesondere also im Intervall zwischen 0,9 und 1,1, jeweils einschließlich. Dementsprechend kann der zweite Footprint in einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen quadratisch sein. Die Ausgestaltung ermöglicht eine zielgenaue und effiziente Bearbeitung eines Werkstücks in zahlreichen Anwendungen und profitiert besonders von dem neuen Freiheitsgrad, den die neue Vorrichtung auf effiziente Weise bietet.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung eine Verstellmechanik auf, mit der zumindest ein Mikrolinsenarray von den zumindest zwei Mikrolinsenarrays entlang der optischen Achse verstellbar ist. Vorzugsweise weist die optische Anordnung außerdem eine Fourierlinsenanordnung auf, die entlang der optischen Achse nach den Mikrolinsenarrays angeordnet ist.
Mit Hilfe der Verstellmechanik kann der Abstand der zumindest zwei Mikrolinsenarrays voneinander selektiv und variabel eingestellt werden. Damit ermöglicht diese Ausgestaltung eine variable Einstellung der Anzahl an separaten Beleuchtungsspots auf der Arbeitsebene. Vorzugsweise besitzt de Verstellmechanik mehrere auswählbare Verstellpositionen, an denen das Verhältnis $\frac{a^{2}}{λ \cdot f_{M L, i}}$
zumindest näherungsweise eine natürliche Zahl ist, wobei a die einheitliche Apertur der einzelnen Mikrolinsen der Mikrolinsenarrays ist, λ die mittlere Wellenlänge des Laserrohstrahls ist und f_ML,i die durch die jeweilige Verstellposition i eingestellte effektive Brennweite f_ML der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays ist. Zumindest näherungsweise bedeutet hier, dass das Verhältnis in einem Intervall von 0,8 N_i bis 1,2 N_i liegt, jeweils einschließlich, wobei N_i die jeweilige natürliche Zahl ist. Die Ausgestaltung macht vorteilhaften Gebrauch von den flexiblen Möglichkeiten, die die optische Anordnung aus der eingangs genannten DE 10 2018 211 972 B4 bietet. Die DE 10 2018 211 972 B4 ist hier folglich im Hinblick auf die Realisierungsmöglichkeiten der Ausgestaltung durch Bezugnahme aufgenommen.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das Strahlformungselement einen Strahltransformator, der den Laserrohstrahl in einer Richtung quer zu der optischen Achse aufweitet. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Strahltransformator eine Powell-Linse beinhalten. Alternativ oder ergänzend kann der Strahltransformator einen Glaskörper beinhalten, der an gegenüberliegenden Flächen verspiegelt ist, so dass ein schräg eintretender Laserstrahl in dem Glaskörper mehrfach hin und her reflektiert und dabei in einer Richtung aufgeweitet wird.
Eine Powell-Linse ist eine Linse, die aus einer rotationssymmetrischen gaußförmigen Intensitätsverteilung ein linienförmiges Strahlprofil mit einer weitgehend homogenen Intensitätsverteilung entlang der Linie erzeugen kann. Senkrecht dazu bleibt die gaußförmige Intensitätsverteilung erhalten. Der Strahltransformator kann ferner ein Strahltransformator sein, wie er in der eingangs genannten WO 2018/019374 A1 beschrieben ist, die hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Das Strahlformungselement dieser Ausgestaltung ermöglicht eine Vielzahl von separaten Beleuchtungsspots entlang einer definierten Linie. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Linie schräg, aber nicht orthogonal zu der optischen Achse angeordnet sein, um auf der Arbeitsebene ein linienförmiges Strahlprofil schräg zu der Strahlrichtung des Beleuchtungsstrahls zu erzeugen.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das Strahlformungselement ein diffraktives optisches Element (DOE).
Ein diffraktives optisches Element ist ein strahlformendes Element, das auf dem Prinzip der Lichtbeugung beruht. Typischerweise besitzt es einen Glasträger, an oder auf dem Beugungsstrukturen angeordnet sind. Die Beugungsstrukturen rufen Interferenzen hervor. Mit einem diffraktiven optischen Element kann ein gewünschtes zweites Winkelspektrum sehr variantenreich und mit hoher Qualität erzeugt werden. Außerdem wird die Strahlenergie zu großen Teilen zur Beleuchtung der Arbeitsebene genutzt. Aus diesem Grund ermöglicht ein diffraktives optisches Element eine besonders effiziente Realisierung.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das Strahlformungselement ein Raumfilter.
Ein Raumfilter beinhaltet typischerweise ein Objektiv und eine Blende, die im Strahlengang hinter dem Objektiv angeordnet ist. Mit Hilfe der Blende kann ein gewünschtes zweites Winkelspektrum variantenreich erzeugt werden. Das Objektiv sorgt dafür, dass die Blende effizient ausgeleuchtet wird. Daher ermöglicht ein Raumfilter vor den Mikrolinsenarrays eine sehr variantenreiche und kostengünstige Strahlformung.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Strahlformungselement wahlweise in die optische Achse einbringbar.
Diese Ausgestaltung bietet eine besonders große Flexibilität bei der Erzeugung der definierten Laserbeleuchtung. Das Strahlformungselement ist hier mit einer Verstellmechanik gekoppelt, die es möglich macht, das Strahlformungselement wahlweise ganz oder teilweise in den Strahlengang der optischen Anordnung einzubringen oder aus diesem zu entfernen. Das Beleuchtungsstrahlprofil kann somit wahlweise und gezielt variiert werden. In einigen Ausführungsbeispielen besitzt die Vorrichtung mehrere Strahlformungselemente, die jeweils dazu eingerichtet sind, ein zweites Winkelspektrum zu erzeugen, wobei sich die zweiten Winkelspektren voneinander unterscheiden. In diesen Ausführungsbeispielen kann eines von mehreren Strahlformungselementen wahlweise in den Strahlengang der optischen Anordnung eingebracht werden. Beispielsweise kann das (jeweilige) Strahlformungselement dieser Ausgestaltung in den Strahlengang der optischen Anordnung eingeschoben und/oder eingeschwenkt werden.
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.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine vereinfachte und schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
2 eine vereinfachte und schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
3 eine vereinfachte und schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung, und
4 eine vorteilhafte Trajektorie einer Laserbeleuchtung beim Aufschmelzen von polykristallinem Silizium gemäß einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 beinhaltete eine Laserlichtquelle 12, die einen Laserrohstrahl 14 erzeugt. Die Laserlichtquelle 12 kann einen Kollimator (hier nicht dargestellt) beinhalten, so dass der Laserrohstrahl 14 ein kollimierter Laserrohstrahl sein kann.
Der Laserrohstrahl 14 beleuchtet eine erste Linse 16 und eine nachfolgende zweite Linse 18, die entlang einer optischen Achse 20 angeordnet sind. Zwischen den Linsen 16, 18 ist hier entlang der optischen Achse 20 eine Blende 22 angeordnet. Die Blende 22 bildet hier zusammen mit den Linsen 16, 18 ein Raumfilter 24. Der Laserrohstrahl 14 besitzt ein erstes Winkelspektrum, das bei dem Bezugszeichen 26 angedeutet und als ein gaußförmiges Intensitätsprofil dargestellt ist. In einer (gedachten) Ebene 28, die senkrecht zu der optischen Achse 20 liegt, erzeugt der Laserrohstrahl 14 mit dem ersten Winkelspektrum 26 hier beispielshaft einen kreisförmigen Footprint 30.
Aufgrund des Raumfilters 24 besitzt der Laserstrahl nach der Linse 18 ein verändertes zweites Winkelspektrum 32, das hier beispielhaft mit einem Tophat-förmigen Intensitätsprofil in einer Ebene 34 dargestellt ist. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 10 einen 2f-Aufbau besitzen. Die Ebene 34 kann in diesen Ausführungsbeispielen an einer anderen Stelle liegen als in 1 der Einfachheit halber dargestellt ist. Der Laserstrahl mit dem modifizierten zweiten Winkelspektrum 32 erzeugt hinter der Linse 18 einen zweiten Footprint 36, der hier beispielhaft quadratisch dargestellt ist.
Der Laserstrahl mit dem zweiten Winkelspektrum 32 beleuchtet hier eine Anordnung mit zumindest zwei Mikrolinsenarrays 38, 40, die mit einem definierten Abstand 42 voneinander entlang der optischen Achse 20 angeordnet sind. Jedes Mikrolinsenarray 38, 40 besitzt eine Vielzahl von Mikrolinsen, die vorzugsweise jeweils dieselbe Apertur a besitzen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die optische Anordnung ferner eine Verstellmechanik 44, mit der der relative Abstand 42 zwischen den zumindest zwei Mikrolinsenarrays 38, 40 entlang der optischen Achse 20 verändert werden kann. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen besitzt die Verstellmechanik mehrere vordefinierte Verstellpositionen, mit denen jeweils ein Abstand 42 eingestellt wird, bei dem das Verhältnis $\frac{a^{2}}{λ \cdot f_{M L, i}}$
zumindest näherungsweise eine natürliche Zahl ist, wobei a die einheitliche Apertur der einzelnen Mikrolinsen der Mikrolinsenarrays 38, 40 ist, λ die mittlere Wellenlänge des Laserrohstrahls 14 ist und f_ML,i die durch die jeweilige Verstellposition i eingestellte effektive Brennweite f_ML der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays ist. Zumindest näherungsweise bedeutet hier, dass das Verhältnis in einem Intervall von 0,8 N_i bis 1,2 N_i liegt, jeweils einschließlich, wobei N_i die jeweilige natürliche Zahl ist.
Durch Variieren des Abstandes 42 wird die effektive Brennweite f_ML der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays 38, 40 verändert. Durch geeignetes Einstellen des Abstandes entsprechend dem oben genannten Verhältnis kann die Anzahl der Beleuchtungsspots 46 im Multispot-Strahlprofil 47 des Beleuchtungsstrahls 48 auf der Arbeitsebene 50 eingestellt werden. Dabei ist die Arbeitsebene 50 hier senkrecht zu der Strahlrichtung 52 des Beleuchtungsstrahls 48 angeordnet. Sie könnte jedoch auch schräg zu der Strahlrichtung 52 liegen. Bevorzugt verwendet die Vorrichtung 10 Mikrolinsenarrays 38, 40 in einer der Anordnungen, wie sie in DE 10 2018 211 972 B4 , die hier durch Bezugnahme aufgenommen ist, offenbart sind. Die Beleuchtungsspots 46 sind hier entlang einer Linie nebeneinander angeordnet, die quer zu der Strahlrichtung 52 verläuft (hier als x-Achse bezeichnet). In einigen vorteilhaften Anwendungen der Vorrichtung 10 kann das Multispot-Strahlprofil 47 quer zu der Linie der Beleuchtungsspots 46 und quer zu der Strahlrichtung 52 relativ zu der Arbeitsebene 50 bewegt werden, wie dies weiter unten unter Bezugnahme auf 4 näher erläutert ist.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung, die hier nun mit dem Bezugszeichen 10' bezeichnet ist. Im Übrigen bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente wie zuvor. Die Vorrichtung 10 besitzt einen Strahltransformator 54, der den Laserrohstrahl in einer Richtung quer zu der optischen Achse 20 aufweitet. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Strahltransformator eine Powell-Linse beinhalten. Alternativ oder ergänzend kann der Strahltransformator einen Glaskörper mit einer Vorderseite 56 und einer Rückseite 58 beinhalten, die jeweils verspiegelt sind, so dass der Laserrohstrahl 14 in dem Glaskörper mehrfach hin und her reflektiert und dabei quer zu der optischen Achse 20 aufgeweitet wird. Ein solcher Strahltransformator ist in der eingangs genannten WO 2018/019374 A1 beschrieben, die hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Alternativ oder ergänzend kann der Strahltransformator eine Powell-Linse beinhalten. In jedem Fall wird der Laserrohstrahl 14 hier in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse 20 und in diesem Fall senkrecht zur Betrachtungsebene aufgeweitet, so dass das Strahlprofil auf der Arbeitsebene 50 linienförmige Strukturen senkrecht zu der Betrachtungsebene aufweist. Die Mikrolinsen der Mikrolinsenarrays 38, 40 können in diesem Fall Zylinderlinsen sein. Alternativ können die Mikrolinsen der Mikrolinsenarrays 38, 40 jeweils rotationssymmetrische Linsen in einem 2dimensionalen Linsenarray sein. Eine solche Anordnung macht es möglich, ein Beleuchtungsstrahlprofil mit einer Vielzahl von Beleuchtungsspots in einer 2dimensionalen Anordnung zu erzeugen.
Mit dem Bezugszeichen 60 ist hier ein diffraktives optisches Element bezeichnet, das wahlweise in den Strahlengang des (aufgeweiteten) Laserrohstrahls 14, d.h. an eine Position entlang der optischen Achse 20, eingeschoben werden kann. Mit dem Bezugszeichen 60' ist ein alternatives diffraktives optisches Element bezeichnet, das wahlweise anstelle oder in Ergänzung zu dem Element 60 in den Strahlengang eingeschoben werden kann. Die diffraktiven optischen Elemente 60, 60' sind dazu mit einer Verstellmechanik 62, 62' gekoppelt.
3 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung, die hier mit dem Bezugszeichen 10" bezeichnet ist. Im Übrigen bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente wie zuvor. Im oberen Teil zeigt 3 die Strahlformung für das Multispot-Strahlprofil 47 in der langen Achse, die hier als x-Achse bezeichnet ist. Im unteren Teil zeigt 3 die Strahlformung in der kurzen Achse, die hier als y-Achse bezeichnet ist. Die Vorrichtung 10" besitzt ein Raumfilter 24 entsprechend dem Ausführungsbeispiel in 1. Alternativ oder ergänzend zu dem Raumfilter 24 könnte die Vorrichtung 10" ein DOE entsprechend dem Ausführungsbeispiel in 2 aufweisen, um das Winkelspektrum des Laserrohstrahls 14 zu modifizieren. Der Laserrohstrahl mit dem modifizierten Winkelspektrum trifft hier auf einen Strahltransformator 54, der den Laserrohstrahl in der langen Achse aufweitet. Der in der x-Achse aufgeweitete Laserstrahl beleuchtet die in Strahlrichtung hintereinander angeordneten Mikrolinsenarrays 38, 40, die vorzugsweise auch hier mit einem variabel einstellbaren Abstand 42 entlang der optischen Achse angeordnet sind. Außerdem besitzt die Vorrichtung 10" hier eine erste Linse oder Linsengruppe 66 für die Fernfeldabbildung, die das Strahlprofil überwiegend in der langen Achse beeinflusst, sowie eine zweite Linse oder Linsengruppe 68, die das Strahlprofil überwiegend in der kurzen Achse beeinflusst.
Das Strahlformungselement 24 modifiziert das Winkelspektrum, mit dem das erste Mikrolinsenarray 38 beleuchtet wird. Durch Verkleinerung des Winkelspektrums vor dem Mikrolinsenarray 38 kann die Breite der Beleuchtungsspots 46 in Richtung der x-Achse reduziert werden. Die Länge der einzelnen Beleuchtungsspots 46 in Richtung der y-Achse kann entweder durch eine Zwischenbildblende und/oder mit Hilfe des Strahltransformator 54 eingestellt werden. Durch eine Abbildung und Verkleinerung/Vergrößerung des Winkelspektrums mit den Linsen oder Linsengruppen 66, 68, die in Strahlrichtung nach den Mikrolinsenarrays 38, 40 angeordnet sind, kann der seitliche Abstand zwischen den einzelnen Beleuchtungsspots 46 entlang der x-Achse skaliert werden. Außerdem kann auch die Position der Gesamtheit aller Beleuchtungsspots 46 auf der Arbeitsebene über die Ausrichtung (Pointing) des Laserstrahls vor und/oder nach den Mikrolinsenarrays 38, 40 eingestellt werden.
4 zeigt eine bevorzugte und vorteilhafte Verwendung einer Vorrichtung 10, 10' oder 10" in einem Verfahren zum Umwandeln von amorphem Silizium auf einer Trägerplatte in höherwertigeres polykristallines Silizium. Die bevorzugte Verwendung basiert auf dem eingangs genannten SLS Verfahren. Im Gegensatz zu der Vorrichtung nach dem Vorschlag von Ludolf Herbst, Frank Simon et al. wird die strukturierte Laserbeleuchtung hier allerdings mit Hilfe der Mikrolinsenarrays 38, 40 erreicht, die aufgrund des gewählten Abstand 42 ein Multispot-Strahlprofil 47 auf der Arbeitsebene ermöglichen. Entsprechend 4 wird das Multispot-Strahlprofil 47 mit den in langer Achse voneinander beabstandeten Beleuchtungsspots 46 in Richtung des Pfeils 70 relativ zu der Arbeitsebene 50 bewegt. In der Arbeitsebene 50 kann vorteilhaft amorphes Silizium 72 auf einer Trägerplatte angeordnet sein. Das amorphe Silizium 72 wird mit Hilfe der Beleuchtungsspots 46 lokal selektiv aufgeschmolzen und kann beim Abkühlen lateral, also im Wesentlichen parallel zu der Arbeitsebene 50 kristallisieren. In Bewegungsrichtung 70 hinter dem Multispot-Strahlprofil 47 bildet sich somit polykristallines Silizium 74 mit einer Vielzahl von Kristallisationszellen 76. Vorzugsweise wird das Multispot-Strahlprofil 47 in der Bewegungsrichtung 70 auf einem Zick-Zack-Pfad geführt, der in 4 bei dem Bezugszeichen 78 angedeutet ist. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht die Querbewegung des Multispot-Strahlprofil 47 auf dem Zick-Zack-Pfad 78 dem seitlichen Abstand 80 zwischen zwei benachbarten Beleuchtungsspots 46 entlang der x-Achse bzw. entlang der Erstreckungsrichtung des Multispot-Strahlprofils 47. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Multispot-Strahlprofil 47 in der Bewegungsrichtung 70 mit einem alternierenden Queranteil bewegt werden, der größer oder kleiner als der seitliche Abstand 80 zwischen zwei benachbarten Beleuchtungsspots 46 ist.
Zusammengefasst besitzen Ausführungsbeispiele der neuen Vorrichtung also eine optische Anordnung 64 mit einem Strahlformungselement, wie etwa dem Raumfilter 24 oder dem diffraktiven optischen Element 60, das im Strahlengang eines Laserrohstrahls 14 vor einer Anordnung mit zumindest zwei Mikrolinsenarrays 38, 40 angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend zu den oben genannten Strahlformungselementen könnte das Strahlformungselement vor der Anordnung mit zumindest den zwei Mikrolinsenarrays 38, 40 ein Axikon oder eine Freiformlinse beinhalten. Nach den Mikrolinsenarrays 38, 40 können weitere optische Elemente folgen, insbesondere eine oder mehrere Fourierlinsen (hier nicht dargestellt) sowie die in 3 dargestellten Linsen/Linsengruppen 66, 68. Das Strahlformungselement modifiziert das Winkelspektrum 26 des Laserrohstrahls 14 so, dass die Anordnung mit den zumindest zwei Mikrolinsenarrays 38, 40 mit einem modifizierten Winkelspektrum 32 beleuchtet wird. Die zumindest zwei Mikrolinsenarrays 38, 40 sind mit einem Abstand 42 entlang der optischen Achse 20 angeordnet, der so gewählt ist, dass eine Vielzahl von separaten Beleuchtungsspots 46 quer zur Strahlrichtung 52 auf einer Arbeitsebene 50 erzeugt werden. Jeder der Beleuchtungsspots 46 besitzt dabei das modifizierte Winkelspektrum 32.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018211972 B4 [0002, 0007, 0019, 0035]
WO 2018/019374 A1 [0006, 0021, 0036]

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene (50), mit einer Laserlichtquelle (12), die dazu eingerichtet ist, einen Laserrohstrahl (14) mit einem ersten Winkelspektrum (26) zu erzeugen, und mit einer optischen Anordnung (64), die den Laserrohstrahl (14) aufnimmt und entlang einer optischen Achse (20) zu einem Beleuchtungsstrahl (48) umformt, wobei der Beleuchtungsstrahl (48) eine Strahlrichtung (52) definiert, die die Arbeitsebene (50) schneidet, wobei die optische Anordnung (64) zumindest zwei Mikrolinsenarrays (38, 40) aufweist, die mit einem definierten Abstand (42) voneinander entlang der optischen Achse (20) angeordnet sind, und wobei der definierte Abstand (42) so gewählt ist, dass der Beleuchtungsstrahl (48) im Bereich der Arbeitsebene (50) ein Beleuchtungsstrahlprofil (47) besitzt, das eine Vielzahl von separaten Beleuchtungsspots (46) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (64) ferner ein Strahlformungselement (24; 60) aufweist, das entlang der optischen Achse (20) vor den zumindest zwei Mikrolinsenarrays (38, 40) angeordnet ist, wobei das Strahlformungselement (24; 60) ein zweites Winkelspektrum (32) erzeugt, das von dem ersten Winkelspektrum (26) verschieden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Winkelspektrum (32) ein Tophat-förmiges Intensitätsprofil aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Winkelspektrum (26) in einer Ebene (28) senkrecht zu der optischen Achse (20) einen ersten Footprint (30) aufweist und dass das zweite Winkelspektrum (32) in einer weiteren Ebene (34) senkrecht zu der optischen Achse (20) einen zweiten Footprint (36) aufweist, der verschieden von dem ersten Footprint (30) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Footprint (36) polygon ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (64) eine Verstellmechanik (44) aufweist, mit der zumindest ein Mikrolinsenarray (40) von den zumindest zwei Mikrolinsenarrays (38, 40) entlang der optischen Achse (20) verstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungselement einen Strahltransformator (54) beinhaltet, der den Laserrohstrahl (14) in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse (20) aufweitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungselement ein diffraktives optisches Element (60) beinhaltet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungselement ein Raumfilter (24) beinhaltet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungselement (24, 60) wahlweise in die optische Achse einbringbar ist.
Verfahren zum Erzeugen einer definierten Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene (50) mit einer Laserlichtquelle (12), die einen Laserrohstrahl (14) mit einem ersten Winkelspektrum (26) erzeugt, wobei der Laserrohstrahl (14) mit einer optischen Anordnung (64) entlang einer optischen Achse (20) zu einem Beleuchtungsstrahl (48) umformt wird, wobei der Beleuchtungsstrahl (48) eine Strahlrichtung (52) definiert, die die Arbeitsebene (50) schneidet, wobei die optische Anordnung (64) zumindest zwei Mikrolinsenarrays (38, 40) aufweist, die mit einem definierten Abstand (42) voneinander entlang der optischen Achse (20) positioniert werden, und wobei der definierte Abstand (42) so gewählt wird, dass der Beleuchtungsstrahl (48) im Bereich der Arbeitsebene (50) ein Beleuchtungsstrahlprofil (47) besitzt, das eine Vielzahl von separaten Beleuchtungsspots (46) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (64) ferner ein Strahlformungselement (24; 60) aufweist, das entlang der optischen Achse (20) vor den zumindest zwei Mikrolinsenarrays (38, 40) angeordnet ist, wobei das Strahlformungselement (24; 60) ein zweites Winkelspektrum (32) erzeugt, das von dem ersten Winkelspektrum (26) verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungsstrahlprofil (47) entlang von einem Zick-Zack-Pfad (78) relativ zu der Arbeitsebene (50) bewegt wird.