TW201540408A - 雷射退火勻光裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種雷射退火勻光裝置，應用於一雷射退火裝置中，該雷射退火裝置包括用於發射雷射光束的一雷射器，該雷射退火勻光裝置包括若干柱面鏡，該若干柱面鏡的曲率半徑均相同，各個柱面鏡在曲率所在平面的尺寸相同，且各個柱面鏡在光束的傳播方向上的長度不同，每兩個柱面鏡在光束的傳播方向上的長度差大於該雷射器的相干涉長度。本發明中，採用長度不同的大尺寸的柱面鏡代替了現有技術中透明玻璃板與柱面鏡組合的方式，同樣能夠實現消除干涉和勻化光束的作用，同時還消除衍射引起的勻光效果不理想的問題，且減少光學系統的建構難度，以及降低成本。

Description

雷射退火勻光裝置

本發明係關於半導體、液晶領域，尤其係關於一種雷射退火勻光裝置。

在半導體、液晶領域中，為了提高載流子的遷移率，需要對摻雜後的裝置進行退火。傳統的退火方法有電子束、閃光燈、連續不相干光照和石墨加熱等。電子束比雷射能量分佈均勻，能處理寬頻隙半導體，藉由改變電子能量可控制退火層深度，缺點是需要真空；固相退火用電子束比雷射優越，但是要求高濃度電活性摻雜物質，需液相退火時用雷射退火更適宜，這是由於光子在表面被吸收，可保證精確控制熔前穿透深度，然而電子穿透較深，難以進行淺層控制；傳統的爐子加熱退火，即使在高達1150度下退火，仍不能徹底消除結晶缺陷，雷射退火則能比較徹底地消除缺陷，特別是奈秒級脈衝雷射退火的效果最佳，連續波雷射退火則適用於大面積處理，能將非晶層轉變成為單晶結構，但可能殘存少量缺陷；其他方法成本較低，在能滿足要求時，不推薦使用雷射退火，當性能要求高，局部定域和薄層高濃度電活性摻雜以及複雜結構半導體退火時，採用雷射技術具有明顯優勢，包括啟動效率高、改善表面粗糙度、降低雜質濃度、退火背面的溫度較低而不損傷裝置等。雷射退火相對於傳統退火具有啟動率高、對裝置損傷小等優 點，在未來將在IGBT、TFT、CIS(像感測器)等領域部分替代傳統退火，需求量將快速增長。

雷射退火後的裝置的均勻性直接與裝置的性能相關，退火過程中，雷射光束的整形和勻光對退火的均勻性有著非常關鍵的作用。由於雷射的相干性，在勻光過程中干涉嚴重影響光束的均勻性，所以在光學系統中需要消除干涉。

第一種消除干涉方法，是利用光束無規則的反射和折射，光線再匯聚，以面陣空間調制器調制三色雷射信號，實現雷射彩色視頻顯示，完全消除干涉條紋，獲得清晰圖像，但這種方法的典型應用場景是雷射顯影技術，且對於強雷射不適用，對於形成特定照明視場的場景也不適用；

另一種消除干涉的方法如圖1所示，雷射退火勻光裝置由消除干涉系統10和透鏡陣列20組成，該消除干涉系統10由多個透明玻璃板11組成，透鏡陣列20由多個長度相等的柱面鏡21組成，其中，透明玻璃板11的寬度與柱面鏡21的寬度相同，兩個相鄰的透明玻璃板11在光軸方向(即圖中箭頭方向)的長度差大於雷射器(圖中未示出)的相干涉長度，且相鄰兩個玻璃板11之間的長度差相同。藉由各透明玻璃板11的雷射的光路變成該透明玻璃板11的長度(即沿箭頭方向)部分，所以，各個雷射產生比相干涉長度長的距離的光程差，相干涉性的影響消失，相互不產生干涉，故透明玻璃板11產生消除干涉的作用，柱面鏡21產生勻光的作用，但是這種方法中，透明玻璃板11和柱面鏡21的尺寸比較小(入射面尺寸約為0.5mm)，除了干涉，還可能引起衍射，嚴重影響勻光效果；透明玻璃板11和柱面鏡21分離，在光學系統中的建構比較 複雜，要使二者嚴格對應，保證相對的傾斜和偏心比較困難，而且對精度要求較高，增加成本。

本發明提供一種雷射退火勻光裝置，以解決現有的雷射退火裝置中勻光系統的上述問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種雷射退火勻光裝置，應用於一雷射退火裝置中，該雷射退火裝置包括用於發射雷射光束的一雷射器，該雷射退火勻光裝置包括若干柱面鏡，該若干柱面鏡的曲率半徑均相同，各個柱面鏡在曲率所在平面的尺寸相同，且各個柱面鏡在光束的傳播方向上的長度不同，每兩個柱面鏡在光束的傳播方向上的長度差大於該雷射器的相干涉長度。

較佳地，該雷射退火裝置還包括準直系統、擴束系統以及聚焦系統，該雷射退火裝置的排列順序沿光路傳播方向依次為雷射器、準直系統、擴束系統、雷射退火勻光裝置以及聚焦系統，該雷射器發出的雷射光束經該準直系統變為平行光，再經過擴束系統將光束擴大到所需尺寸，再經該雷射退火勻光裝置勻光，最終經該聚焦系統形成所需的光斑。

較佳地，每兩個柱面鏡在光束的傳播方向上的長度差為固定值。

較佳地，每兩個柱面鏡在光束的傳播方向上的長度差值均不同。

較佳地，該柱面鏡的數量和該柱面鏡在曲率所在平面的尺寸由入射至該雷射退火勻光裝置的光束直徑來決定。

較佳地，該柱面鏡的數量為5~7根。

較佳地，該柱面鏡的曲率半徑為100mm~200mm。

較佳地，該柱面鏡在曲率所在方向的口徑為4mm~10mm。

較佳地，該柱面鏡採用光學冷加工方法加工製造。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：1.本發明採用長度不同的大尺寸的柱面鏡代替現有技術中透明玻璃板與柱面鏡組合的方式，同樣能夠實現消除干涉和勻化光束的作用；2.本發明採用大尺寸的柱面鏡，能夠避免出現衍射現象，進而避免衍射影響勻光效果；3.現有技術中的透明玻璃板和柱面鏡分離，在光學系統中的建構比較複雜，二者需嚴格對應，而本發明中則無需上述對應過程，降低了光學系統的建構難度，且節約了成本；4.由於該柱面鏡尺寸較大，採用普通的光學冷加工方法加工製造即可，降低元件的加工難度，且進一步降低了成本。

10‧‧‧消除干涉系統

11‧‧‧透明玻璃板

20‧‧‧透鏡陣列

21‧‧‧柱面鏡

100‧‧‧雷射器

200‧‧‧準直系統

300‧‧‧第一擴束裝置

400‧‧‧第二擴束裝置

500‧‧‧雷射退火勻光裝置

510‧‧‧柱面鏡

600‧‧‧聚焦系統

圖1為現有的雷射退火裝置中勻光系統的結構示意圖；圖2為本發明實施例1的雷射退火勻光裝置的結構示意圖；圖3為圖2的左視圖；圖4為本發明實施例2的雷射退火勻光裝置的結構示意圖；圖5為本發明一具體實施方式的雷射退火裝置的結構示意圖；圖6為本發明一具體實施方式的雷射退火勻光裝置得到的光斑X方向能量分佈圖； 圖7為本發明一具體實施方式的雷射退火勻光裝置得到的光斑Y方向能量分佈圖。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加清晰易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。需說明的是，本發明附圖均採用簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。

請參考圖2和圖3，本發明提供的雷射退火勻光裝置500，應用於雷射退火裝置中，包括若干柱面鏡510，該若干柱面鏡510的曲率半徑均相同，各個柱面鏡510在曲率所在平面的尺寸相同，也就是說，該各個柱面鏡510在光入射面的尺寸相同(即X方向寬度相同和Y方向高度相同)，且各個柱面鏡510在光束的傳播方向Z方向上的長度不同，每兩個柱面鏡510在光束的傳播方向上的長度差大於該雷射退火裝置的雷射器100(如圖5所示)的相干涉長度。本發明採用長度不同的大尺寸的柱面鏡510代替了現有技術中透明玻璃板與柱面鏡組合的方式，同樣能夠實現消除干涉和勻化光束的作用，還消除衍射引起的勻光效果不理想的問題，且減少光學系統的建構難度，以及降低了成本。

較佳的，請重點參考圖5，該雷射退火裝置還包括雷射器100、準直系統200、擴束系統以及聚焦系統600，該雷射退火裝置的排列順序沿光路傳播方向依次為雷射器100、準直系統200、擴束系統、雷射退火勻光裝置500以及聚焦系統600，該雷射器100發出的光束經該準直系統200變為平行光，再經過擴束系統將光束擴大到所需尺寸，再經該雷射退火勻光裝置500勻光，最終經該聚 焦系統600，在像面上聚焦形成所需的光斑。

較佳的，該擴束系統包括第一擴束裝置300和第二擴束裝置400。

[實施例1]

較佳的，請重點參考圖2，每兩個柱面鏡510在光束的傳播方向上的長度差為固定值，本實施例中，相鄰兩個柱面鏡510在光束的傳播方向上的長度差均為d，當然，本發明不限於圖2中所示的柱面鏡510從上至下依次增長的排列方式，也可以是其他排列方式。

較佳的，該柱面鏡510的數量為5~7根。這5~7根柱面鏡510組成柱面鏡陣列，將光束分割成小部分，經過柱面鏡510射出的光具有一定的發散角，這些被分割的光再經過後面的聚焦系統600，每個小部分再疊加起來產生勻化光束的作用，形成特定尺寸的均勻光斑。光束經過不同長度的柱面鏡510，且每兩個柱面鏡510的長度差大於該雷射器100的相干涉長度，導致光程差大於相干涉長度且光程差不恒定，破壞產生干涉必須有恒定的相位差這一條件，從而消除干涉，達到更好的勻化光束的效果。

較佳的，該柱面鏡510的曲率半徑為100mm~200mm，根據最終想要得到的聚焦光斑的尺寸進行調整，較佳的，該柱面鏡510在曲率所在方向的口徑較大，即Y方向的高度，約為4mm~10mm，根據進入柱面鏡陣列的光斑直徑大小，以及所用柱面鏡510的個數，可以匹配出柱面鏡510曲率方向的尺寸大小；另一個方向的尺寸即X方向的寬度等於入射光束的直徑，因此，柱面鏡510的兩個方向的尺寸均可由入射柱面鏡陣列的光束直 徑確定。而每個柱面鏡510的曲率根據最終想要得到的聚焦光斑的尺寸確定，並與柱面鏡510的兩個方向的尺寸相匹配。

較佳的，因該柱面鏡510在曲率所在方向的口徑較大，可採用普通的光學冷加工方法加工製造，降低元件的加工難度，大大降低成本。

請重點參考圖6和圖7，在最終成像的二維光斑未被整形的X方向上，能量的分佈如圖6所示，即雷射退火勻光裝置500沒有改變雷射光束的能量分佈，仍為高斯分佈；而在二維的光斑被柱面鏡510整形的Y方向上(即柱面鏡510的曲率方向)，能量的分佈如圖7所示，也就是說，經過柱面鏡510的勻光和消除干涉後，改變雷射光束的能量分佈，為平頂均勻分佈，由此可知，本發明提供的雷射退火勻光裝置500具有良好的勻化光束的效果。

[實施例2]

請重點參考圖4，本實施例與實施例1的區別點在於：每兩個柱面鏡510在光束的傳播方向上的長度差值均不同，即為不固定長度，本實施例中，兩個相鄰的柱面鏡510在光束的傳播方向上的長度差從上至下依次為a1、a2、a3、a4、a5、a6，且a1≠a2≠a3≠a4≠a5≠a6，本實施例同樣能夠破壞產生干涉的條件，從而消除干涉，達到更好的勻化光束的效果。

綜上所述，本發明提供的一種雷射退火勻光裝置500，應用於雷射退火裝置中，包括發射雷射光束的雷射器100，還包括若干柱面鏡510，該若干柱面鏡510的曲率半徑均相同，各個柱面鏡510在曲率所在平面的尺寸相同，且各個柱面鏡510在光束 的傳播方向上的長度不同，每兩個柱面鏡510在光束的傳播方向上的長度差大於該雷射器100的相干涉長度。本發明中，採用長度不同的大尺寸的柱面鏡510代替現有技術中透明玻璃板與柱面鏡組合的方式，同樣能夠實現消除干涉和勻化光束的作用，還消除衍射引起的勻光效果不理想的問題，且減少光學系統的建構難度，以及降低成本。

顯然，本領域的技術人員可以對發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明申請專利範圍及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包括這些改動和變型在內。

500‧‧‧雷射退火勻光裝置

510‧‧‧柱面鏡

Claims (9)

1. 一種雷射退火勻光裝置，應用於一雷射退火裝置中，該雷射退火裝置包括用於發射雷射光束的一雷射器，其特徵在於：該雷射退火勻光裝置包括若干柱面鏡，該若干柱面鏡的曲率半徑均相同，各個柱面鏡在曲率所在平面的尺寸相同，且各個柱面鏡在光束的傳播方向上的長度不同，每兩個柱面鏡在光束的傳播方向上的長度差大於該雷射器的相干涉長度。
2. 如申請專利範圍第1項之雷射退火勻光裝置，其中，該雷射退火裝置還包括準直系統、擴束系統以及聚焦系統，該雷射退火裝置的排列順序沿光路傳播方向依次為該雷射器、該準直系統、該擴束系統、該雷射退火勻光裝置以及該聚焦系統，該雷射器發出的雷射光束經該準直系統變為平行光，再經過該擴束系統將光束擴大到所需尺寸，再經該雷射退火勻光裝置勻光，最終經該聚焦系統形成所需的光斑。
3. 如申請專利範圍第2項之雷射退火勻光裝置，其中，每兩個柱面鏡在光束的傳播方向上的長度差為固定值。
4. 如申請專利範圍第2項之雷射退火勻光裝置，其中，每兩個柱面鏡在光束的傳播方向上的長度差值均不同。
5. 如申請專利範圍第2項之雷射退火勻光裝置，其中，該若干柱面鏡的數量和該若干柱面鏡在曲率所在平面的尺寸由入射至該雷射退火勻光裝置的光束直徑來決定。
6. 如申請專利範圍第1項之雷射退火勻光裝置，其中，該若干柱面鏡的數量為5~7根。
7. 如申請專利範圍第1項之雷射退火勻光裝置，其中，該若干柱 面鏡的曲率半徑為100mm~200mm。
8. 如申請專利範圍第1項之雷射退火勻光裝置，其中，該若干柱面鏡在曲率所在方向的口徑為4mm~10mm。
9. 如申請專利範圍第1項之雷射退火勻光裝置，其中，該若干柱面鏡採用光學冷加工方法加工製造。