WO2020225016A1 - Method and optical system for processing a semiconductor material - Google Patents

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WO2020225016A1
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Sebastian Geburt
Hans-Juergen Kahlert
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Innovavent Gmbh
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Definitions

  • the disclosure relates to a method for processing a semiconductor material, in particular for producing a crystalline semiconductor layer, and an optical system for processing a semiconductor material, in particular for producing a crystalline semiconductor layer.
  • Lasers are used for the crystallization of thin film layers, for example for the production of thin film transistors (in English: Thin Film Transistor, or TFT for short).
  • the semiconductor to be processed is silicon (Si for short), more precisely amorphous silicon (a-Si for short).
  • 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.
  • the layer is illuminated with the light of the laser, for example a pulsed solid-state laser.
  • the light is formed into a line of illumination and, as imaged on an image plane of Halbleitermateri ⁇ nm with a wavelength of, for example, 343rd
  • the illumination line has a short (narrow) axis and a homogeneous long beam axis.
  • the short or narrow axis has a Gaussian or a flat intensity distribution.
  • 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 starting from non-melted 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 ps.
  • a uniform intensity of the illumination line 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 results in high conductivity due to a high mobility of electrons and positive charge holes.
  • Inhomogeneities can occur in particular along the long beam axis and perpendicular to it along the short beam axis when the line of illumination 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 scanning direction or in the feed direction. So-called “shot mura” occur perpendicular to this, which can be traced back to fluctuations in intensity and energy density pulse to pulse.
  • the fluctuation in the energy density and in the temporal intensity curve from laser pulse to laser pulse should be as small as possible, for example by using lasers with very good pulse stability and by superimposing several laser beams Laser sources.
  • the intensity of the illumination line should be as homogeneous as possible along the long axis.
  • nitrogen mura can be traced back to the fact that during the irradiation the substrate exposure area, i.e. the surface of the material layer to be processed, for example the semiconductor layer, is flushed with nitrogen in order to reduce the oxygen concentration to values between 10 ppm and To reduce 20 ppm and thus prevent oxidation of the material, such as silicon.
  • a laminar nitrogen flow is passed directly over the material layer to be exposed. Inhomogeneities in the laminar flow can lead to inhomogeneities in the crystal structure, the so-called "nitrogen mura".
  • the present disclosure provides an improved method for processing a semiconductor material, in particular a method for producing uniformly crystallized semiconductor layers.
  • the present invention further provides an improved apparatus for processing a semiconductor material, in particular an apparatus for producing uniformly crystallized semiconductor layers.
  • uniformly crystallized semiconductor layers are in particular semiconductor layers with uniform crystal grain sizes.
  • a method having the features of claim 1 and an optical system having the features of claim 11 are provided.
  • Providing a first laser beam with a first laser pulse and a second laser beam with a second laser pulse Reshaping the first laser pulse and the second laser pulse, using a beam shaping device, into a laser pulse with a short axis and a long axis in line form,
  • Imaging of the laser pulse formed in this way in line form using an imaging device, as an illumination line with a short axis and a long axis on the semiconductor material layer,
  • temporal delay of the second laser pulse with respect to the first laser pulse by a predetermined time interval At, which is selected such that the illumination line imaged on the semiconductor material layer has a combined temporal intensity profile in the form of a pulse with a first and a second maximum.
  • the sequence of the method steps given above does not reflect the chronological sequence in which the steps are carried out.
  • the setting of the polarization direction in the beam path takes place where the individual beams, that is to say the first and second laser beams, are separated.
  • the reshaping, homogenization and superposition of the individual beams necessarily take place after the first and second laser beams have been provided.
  • the step of time delay can occur before or after the alignment of the polarization of the first and second laser beams.
  • the chronological order of the specified steps can in principle also be different.
  • the semiconductor material to be processed can be, for example, a thin layer with a thickness of approximately 50 nm made of amorphous silicon, which is applied to a carrier such as a glass substrate.
  • the first laser beam and the second laser beam are provided by at least one laser, as will be explained in more detail later.
  • the laser can be, for example, a UV solid-state laser that emits light with a wavelength of 343 nm.
  • Typical half-widths (FWHM, “Full Width at Half Maximum”) of the first and second laser pulses range from 15 ns to 20 ns.
  • the first laser beam and the second laser beam are typically linearly polarized.
  • the polarization of the first and the second pulse is each set in a specific, predefined direction, for example using a polarization device.
  • the first laser pulse is linearly polarized in the direction of the short axis of the illumination line and the second laser pulse is linearly polarized in the direction of the long axis of the illumination line.
  • the pulse emitted by a solid-state laser is typically linearly polarized. If the emitted pulse linearly polarized, the disclosed method is rotated in each case, the polarization direction of the emitted first and second pulse in a predetermined defi ned ⁇ direction according to. This can be carried out by means of a polarization device such as a 1/2 plate with a corresponding orientation with respect to the beam or pulse impinging on the 1/2 plate.
  • the direction of polarization of the first pulse is rotated in the direction of a short axis, which will be explained in more detail later.
  • the polarization of the first pulse is thus aligned in the direction of the short axis, namely in such a way that the polarization is almost exclusively aligned in the direction of the short axis, for example so that the proportion of linearly polarized light in a direction perpendicular to the short axis is 1% is (Po ⁇ larisa tion ratio 100: 1), or for example so that the polarization ratio of 95: 5.
  • the direction of polarization of the second pulse is rotated in the direction of a long axis, which will also be explained in more detail later and is perpendicular to the direction of the short axis.
  • the polarization of the second pulse is thus aligned in the direction of the long axis, specifically in such a way that the polarization is almost exclusively aligned in the direction of the long axis, for example so that the proportion of linearly polarized light in a direction perpendicular to the long axis 1% (polarization ratio 100: 1), or for example so that the ratio of polarization ⁇ tion 95: 5.
  • the second pulse is delayed in time with respect to the first pulse by the predetermined time interval At.
  • Typical time delay times are 5 ns to 20 ns.
  • the time interval At is chosen such that when a later-described illumination line is mapped onto the semiconductor material layer, the two pulses are overlaid over time to form a single pulse.
  • the temporal superposition results in a combined temporal intensity profile with a first maximum and a second maximum.
  • the first and the second pulse are converted into a laser line, that is to say a laser pulse in the form of a line, using a beam shaping device.
  • the beam shaping device can be anamorphic optics form. For example, it can have a lens array homogenizer which is based on the principle that the incident laser beam or beams are split up into many partial beams, which are then spatially superimposed.
  • the laser line has a short axis and a long axis.
  • the laser line thus formed is imaged as an illumination line on an image plane of the semiconductor material by means of an imaging device.
  • the line of illumination also has a short axis and a long axis, the direction of which is the
  • the directions of the short axis and the long axis of the illumination line coincide with the direction of the short axis and the long axis of the laser pulse in line form
  • the length of the lighting line is typically between 100 mm and 1000 mm, for example 100 mm, 250 mm, 750 mm or 1000 mm. They can be longer if the beam shaping device and / or imaging device entspre ⁇ adapted accordingly.
  • the width of the illumination line is given at a Gaussian distribution as a half-value width (FWHM), and is typically pm and 200 pm between 20th In the case of a flat distribution, the width is measured at the point at which the intensity is 90% (“Full Width 90%”) and is also typically between 20 ⁇ m and 200 ⁇ m.
  • the illumination line can conductor material layer relative to the half- ⁇ in a feeding direction to be moved.
  • the first pulse is then linearly polarized in the direction of feed, since the feed direction of the Rich ⁇ processing corresponds to the short axis.
  • the carrier with the semiconductor material can be arranged, for example, on a table that can be moved in the feed direction and can thus be moved relative to the illumination line. Typical feed speeds range from 5 mm / s to 50 mm / s.
  • the relative intensity of the first laser pulse and the second laser pulse can be selected so that the ratio of the first maximum to the second maximum in the combined time intensity curve in the range from 0.8 to 1.4, in particular is in the range from 0.9 to 1.2, especially 1.0. Since the combined temporal intensity curve results from superimposing the temporal intensity curve of the first and second pulse, the ratio of the first maximum to the second maximum in the combined temporal intensity curve can be set using the intensities of the first and second pulse, taking into account the time interval At will.
  • the combined temporal intensity profile of the illumination line can be a temporal half-width, based on the first maximum of the combined temporal Inten ⁇ sticiansverlaufs having between 40 and 50 ns.
  • the relatively long pulse duration influences the crystallization process over several 10ns and promotes the formation of uniform grain structures.
  • a first laser and a second laser are provided ⁇ which are adapted in each case to emit the first laser beam and the second laser beam, and which are controlled so that the second laser pulse by the time interval At is delayed to the first Laser pulse is emitted.
  • the tarry ⁇ tion for example, by electronically delaying the trigger signal of the second laser with respect to the trigger signal of the first laser can be achieved.
  • a first laser which is adapted to provide a laser beam with a pulse, and that the laser ⁇ ray of the first laser is divided into a first laser beam portion and a second laser beam portion, the first laser beam portion forming the first laser beam of the first laser pulse and the second laser beam portion forms the second laser beam ⁇ with the second laser pulse.
  • a laser is provided which is operated in pulsed mode and whose emitted laser beam is split into the first laser beam and the second laser beam by means of a beam splitter.
  • the time delay of the second pulse with respect to the first pulse can be achieved in that the optical path length of the second laser beam from the point of beam splitting to the image plane of the semiconductor material than is greater than the optical path length of the first laser beam from the location of the beam splitting to the image plane of the semiconductor material, so that there is a phase shift of the first pulse with respect to the second pulse.
  • the time delay of the second pulse with respect to the first pulse is provided by a greater optical path length of the second pulse.
  • the first laser pulse can be a laser pulse of a plurality of first laser pulses of the first laser beam and the second laser pulse can be a laser pulse of a plurality of second laser pulses of the second laser beam, and each of the plurality of laser pulses of the second pulsed laser beam is temporal is delayed with respect to another of the plurality of laser pulses of the first pulsed laser beam by the predetermined time interval At.
  • the laser or lasers are therefore operated in a pulsed manner and emit a large number of laser pulses with a specific pulse repetition rate, for example 10 kHz.
  • the laser pulses of the second laser beam are delayed relative to the first laser pulses so that a first laser pulse and a second laser pulse are always superimposed as an illumination line in the form of a pulse with a first and second maximum on the semiconductor material.
  • the semiconductor mate rial ⁇ is pulsed at a line of illumination exposed, with the pulse repetition rate of the laser or.
  • the feed speed, the pulse repetition rate of the first laser beam and the second laser beam and the geometrical half-value width of the illumination line in the short axis direction can be chosen so that a point of the half ⁇ is conductor material repeatedly exposed by a line of illumination.
  • the semiconductor material moves so slowly relative to the lighting line, and the geometric half-width of the lighting line in the direction of the short axis is so large that after a period of time that corresponds to the pulse repetition rate of the laser beam or a multiple of the pulse repetition rate, the semiconductor material has moved such a small distance that a previously exposed point is exposed again or multiple times.
  • a third laser beam with a third laser pulse and a fourth laser beam with a fourth laser pulse are provided, the first laser pulse, the second laser pulse, the third laser pulse pulse and the fourth laser pulse, using a beam shaping device, is converted into a laser pulse with a short axis and a long axis in line form, and the laser pulse thus formed in line form, using the imaging device, as the illumination line on an image plane of the semiconductor material layer of the third laser pulse is set in the direction of the short axis of the illumination line, a polarization direction of the fourth laser pulse is set in the direction of the long axis of the illumination line, and the fourth laser pulse is delayed with respect to the third laser pulse by a predetermined time interval At, the predetermined time interval At being selected in this way that the illumination line imaged on the semiconductor material layer has a combined intensity profile over time in the form of a pulse with a first and a second maximum.
  • four laser beams are homogeneously superimposed and imaged, two laser beams of the four laser beams each having a pulse linearly polarized in the direction of the short axis of the illumination line and being synchronized in time, and the other two of the four laser beams each have a pulse linearly polarized in the direction of the long axis of the illumination line, which is delayed in time with respect to the pulses of the first two laser beams.
  • an optical system for processing Bear ⁇ is a layer of semiconductor material, in particular for producing a crystalline semiconductor layer, which comprises:
  • a beam shaping device which is adapted to a first laser pulse of a first laser beam and a second laser pulse of a second laser beam in a ⁇ a short axis and a long axis having laser pulse in line shape
  • an imaging device which is set up to image the laser pulse formed in this way in line form as an illumination line on the semiconductor material layer
  • a polarization means which is adapted to receive a polarization- ⁇ onscardi of the first laser pulse in the direction of the short axis of theansli ⁇ never align and aligning a polarization direction of the second laser pulse in the direction of the long axis of the illumination line, and
  • the polarization device is designed and arranged in such a way that the first laser pulse almost exclusively contains polarization components in the direction of the short axis of the illumination line (the polarization ratio is, for example, 1: 100), and the second laser pulse almost exclusively contains polarization components in the direction of the long axis of the illumination line (the polarization ratio is, for example, 1: 100).
  • the polarization device can have a first
  • the first polarization device is then arranged in particular in the beam path of the first laser beam and the second polarization device is in particular arranged in the beam path of the second laser beam.
  • the beam shaping device can form anamorphic optics.
  • it can have a lens array homogenizer which is based on the principle that the incident laser beam or beams are split up into many partial beams, which are then spatially superimposed.
  • the laser line has a short axis and a long axis.
  • the laser line thus formed is imaged by an imaging device as a BL LEVEL ⁇ processing line on an image plane of the semiconductor material.
  • the lighting line also has a short axis and a long axis, the direction of which is the
  • the polarization device of the optical system can in particular comprise a first K / 2 plate, which is arranged in the beam path of the first laser beam, in particular in front of the beam shaping device, and is oriented with respect to the first laser pulse impinging on the K / 2 plate that the first laser pulse is linearly polarized after passing through the l / 2 plate in the direction of the short axis, and comprise a second K / 2 plate, which is arranged in the beam path of the second laser beam, in particular in front of the beam shaping device, and so with respect to of the first laser pulse striking the 1/2 plate is oriented so that the second laser pulse is linearly polarized in the direction of the long axis after passing through the 1/2 plate.
  • the first 1/2 plate is thus oriented in such a way that it rotates the polarization direction of the linearly polarized first laser beam with the first laser pulse in the direction of the short axis.
  • the second 1/2 plate is oriented in such a way that it rotates the polarization direction of the linearly polarized second laser beam with the second laser pulse in the direction of the long axis.
  • the delay device can comprise a delay circuit that generates a trigger signal from a second laser which is configured to emit the second laser beam with the second laser pulse in order to delay the time interval
  • the first laser for this purpose is set up to emit the first laser beam with the first laser pulse.
  • the second trigger signal may thus of the first trigger signal ⁇ be delayed with respect to electronically.
  • the delay means may comprise a beam detour, which causes the optical path length of the second laser beam to an image plane of the semiconductor material layer is greater than the optical path ⁇ length of the first laser beam to the image plane of the semiconductor material layer. According to this variant, therefore, the time delay is caused by a different path ⁇ by the second laser pulse has undergone a larger optical path length up to the overlay as the first pulse.
  • the first and second laser beams of the optical system can be provided by a first and second laser source or, alternatively, by a laser source, the emitted laser beam of which is split into the first laser beam and the second laser beam by means of a beam splitter.
  • the beam shaping means may be adapted to control the first laser pulse of the first laser beam, the second laser pulse of the two ⁇ th laser beam, a third laser pulse of a third laser beam and a fourth laser pulse having a fourth laser beam into a short axis and a long axis
  • the imaging device can be set up to transform the laser pulse formed in this way into line form as a lighting
  • the polarization device can be configured to linearly polarize the third laser pulse in the direction of the short axis of the illumination line and linearly polarize the fourth laser pulse in the direction of the long axis of the illumination line, and the delay device can do this be set up to delay the fourth laser pulse with respect to the third laser pulse by a predetermined time interval At, which is selected so that the illumination line imaged on the semiconductor material layer has a combined intensity profile over time in the form of a pulse with a first and a second maximum.
  • the optical system thus includes a four jet assembly, are superimposed homogeneous at the four laser beams and imaged as a line of illumination on the semiconductor material layer, wherein the polarizing means is arranged and configured such that two laser beams of the four Laserstrah ⁇ len each in the direction having the short axis of the illumination line linear ⁇ polarized pulse and are synchronized in time, and the other two of the four laser beams each of the illumination line are linearly polarized pulse a in the long axis direction, the time-delayed relative to the pulses of the first two laser beams.
  • the present disclosure further comprises a system for processing a semiconductor material layer, in particular for producing a crystalline semiconductor layer, which comprises the optical system according to an aspect described above and which is designed to move the semiconductor material layer relative to the illumination line in a feed direction, wherein the The direction of advance corresponds to the direction of the short axis of the illumination line.
  • the semiconductor material layer may, for example, by means of a feed device such as a mobile in the direction of feed table on which the carrier with the semiconductor material layer angeord ⁇ net, are moved relative to the exposure line so that large areas of up to the entire semiconductor layer exposed by the illumination line and processed so that can be.
  • the feed direction corresponds to the direction of the health ⁇ zen axis so that the orientation of the polarization of the first pulse and / or third pulse corresponds to the advancing direction.
  • - Figure 1 is a schematic view of a semiconductor material layer having a relative to the semiconductor material layer moving in the feed direction Be ⁇ leuchtungsline is exposed to the processing of the semiconductor material layer;.
  • 3a and 3b show a schematic view of an optical system for a system for processing semiconductor layers, by means of which an illumination line can be formed and imaged on a semiconductor material;
  • FIG. 4 shows a schematic view of an embodiment of the optical system in which the first and second laser beams are provided by beam splitting of a laser beam;
  • FIG. 5 shows a schematic view of an embodiment in which four laser beams are provided by four laser sources, the pulses of two laser beams each being emitted with a time delay to the pulses of the other two laser beams;
  • FIG. 6 shows a schematic view of an embodiment in which two laser beams are provided by two laser sources, the pulses of one laser beam being delayed in time with respect to the pulses of the other laser beam;
  • FIG. 7 schematically shows a combined intensity profile of the illumination line over time, which results from homogeneous superimposition of the individual pulses
  • FIG. 8b shows a scanning electron microscope image of a crystalline silicon layer which has been processed according to a comparative method.
  • FIG. 1 shows schematically how, according to the disclosed method, a semiconductor material is irradiated with a laser beam to produce homogeneously crystallized layers.
  • a carrier 10 for example a glass substrate, is coated with a layer 12 of the semiconductor material to be processed.
  • the semiconductor material to be processed is amorphous silicon.
  • the thickness of the semiconductor material layer 12 is typically around 50 nm.
  • a laser beam 14 in the form of a line is imaged on the semiconductor material and moved relative to it in a feed direction X so that the laser line 14 sweeps over at least a partial area of the semiconductor material layer 12 and is illuminated in the process.
  • the carrier 10 with the semiconductor material layer 12 is displaced in space and thus relative to the laser beam 14, which is stationary.
  • the laser line 14 can be moved relative to the semiconductor material layer 12 in such a way that the entire semiconductor material layer 12 is irradiated by the laser line 14.
  • the laser line 14 is typically moved relative to the semiconductor material layer 12 in such a way that a specific area is irradiated several times by a laser line 14. Typical feed speeds are in the range between 5 mm / s and 50 mm / s.
  • the direction of propagation of the laser beam 14 is perpendicular to the surface of the semiconductor material layer 12, i.e. the laser beam 14 here hits the surface of the semiconductor material layer 12 perpendicularly, with an angle of incidence of 0 °.
  • the line geometry of the laser beam 14 is shown in FIGS. 2a to 2c.
  • the intensity is shown as a function of a specific direction.
  • 2a shows the intensity of the laser line in the direction of the long axis, namely an intensity distribution 16 integrated along the short axis (along the x-axis), the intensity distribution 16 thus integrated along the long axis (along the y-axis) is shown.
  • the short axis should run parallel to the x-axis and the long axis parallel to the y-axis in the figures.
  • the distribution 16 is approximately rectangular, that is to say ideally formed homogeneously along the long axis.
  • the length of the illumination line in the y direction can typically be between 100 mm and 1000 mm, for example 100 mm, 250 mm, 750 mm or 1000 mm, or more than 1000 mm.
  • the intensity of the laser line is shown in the direction of the short axis, namely an intensity distribution 18, 20 integrated along the long axis (i.e. along the y-axis), the intensity distribution thus integrated Distribution along the short axis (i.e. along the x-axis) is shown.
  • the intensity in FIG. 2b has a Gaussian profile 18.
  • the intensity as shown in FIG. 2c, can have a flat profile 20 (“flat-top”), that is to say an approximately rectangular profile.
  • Typical widths for the intensity in the x direction are between 20 pm and 200 pm.
  • the width is specified as a full width at half maximum, FWHM, in the case of the flattened curve 20 in FIG. 2c as the width that the curve has at an intensity equal to 90 % of the maximum intensity (FW 90%: Full Width at 90%).
  • the lighting line 14 is guided over the semiconductor material layer 12 to be processed, such as a-Si, this causes the semiconductor material layer 12 to briefly melt and solidify as a crystalline layer with improved electrical properties.
  • FIGS. 3a and 3b show schematically an optical system 30 for a system for processing semiconductor layers, by means of which an illumination line 14, as described with reference to FIGS. 1 and 2, can be formed and mapped onto a semiconductor material.
  • the optical system 30 comprises a beam shaping device 32 which is set up to shape a laser beam in such a way that a beam profile of the laser beam has a long axis and a short axis, as well as one in the beam path of the laser beam of the beam shaping device 32 downstream imaging device 34 which is set up to image the laser beam shaped in this way as an illumination line 36.
  • a beam shaping device 32 which is set up to shape a laser beam in such a way that a beam profile of the laser beam has a long axis and a short axis, as well as one in the beam path of the laser beam of the beam shaping device 32 downstream imaging device 34 which is set up to image the laser beam shaped in this way as an illumination line 36.
  • four laser beams strike the beam shaping device 32, namely the first laser beam 38, the second laser beam 40, the third laser beam 42 and the fourth laser beam 44.
  • two laser beams can also hit the beam shaping device 32 meet, as will be explained later using an example.
  • the number of laser beams is
  • the laser radiation is the laser radiation emitted by several UV solid-state lasers with a wavelength of 343 nm.
  • other laser sources in particular other solid-state laser sources, for example solid-state lasers which emit in the green spectral range.
  • FIGS. 3a and 3b as in FIGS. 1 and 2, the short axis is shown parallel to the x-axis and the long axis is shown parallel to the y-axis.
  • the optical axis of the optical system runs parallel to the z-axis.
  • FIG. 3a shows the imaging characteristics of the optical system 30 in the y direction, that is, along the long axis of the reshaped laser beam and the
  • FIG. 3b shows the imaging characteristics of the optical system 30 in the x direction, that is to say along the short axis of the reshaped laser beam and the illumination line.
  • the beam shaping device 32 of the optical system 30 of FIGS. 3a and 3b has anamorphic homogenization optics 46 which homogenize the intensity of the incident laser beams in the direction of the y-axis.
  • the anamorphic homogenization optics 46 comprise, for example, two cylindrical lens arrays arranged parallel to one another. The cylindrical lens arrays divide the incident radiation into individual partial bundles and superimpose them over the entire surface so that the laser radiation is largely homogenized.
  • each laser beam is divided into individual sub-bundles and superimposed in a homogenized manner.
  • homogenization optics are described in more detail, for example, in the prior art according to DE 42 20 705 A1, DE 38 29 728 A1 or DE 102 25 674 A1, which is included here in the disclosure.
  • the beam shaping device 32 of the optical system 30 also has a condenser cylinder lens 48 in the beam path behind the anamorphic homogenization optics 46, which is set up to telecentrically direct the laser beams redistributed and homogenized using the anamorphic homogenization optics 46 onto the illumination line 36 and with respect to the long axis , i.e. in the y-direction, to be superimposed there.
  • the combination of the anamorphic homogenization optics 46 and the condenser cylinder lens 48 thus has the effect that the incident laser radiation is imaged in a homogenized manner on the image plane as an illumination line 36.
  • the imaging device 34 is arranged, which is set up to focus the laser beams on the illumination line 36 with respect to the short axis, that is to say in the x direction.
  • the imaging device 34 images the laser beams as the illumination line 36, with only the short axis of the beam profile being homogenized, but not the homogenized long axis of the beam profile.
  • the Abbil ⁇ -making device 34 may for example be a sierzylinderlinsenoptik be.
  • the combination of the anamorphic homogenization optics 46 and the condenser cylinder lens 48 can be anamorphic optics or be part of such optics. In particular, they can be part of an anamorphic optics, as is described in FIGS. 4 to 6 of the document DE 10 2012 007 601 A1, which is included in the present disclosure, with regard to the anamorphic optics 42.
  • the beam shaping device 32 can furthermore comprise one or more of the following optical elements:
  • a first collimation cylinder lens provided with reference number 54 in DE 10 2012 007 601 A1, for collimation of laser beams emitted with respect to the x-axis,
  • a cylinder lens arranged in the beam path behind the first collimation cylinder lens, provided with reference number 58 in DE 10 2012 007 601 A1, for focusing the light beams with respect to the x-axis on an intermediate image, provided with reference number 60 in DE 10 2012 007 601 A1,
  • a further cylinder lens arranged in the beam path behind the first intermediate image, in particular behind the intermediate collimation cylinder lens, provided with reference numeral 62 in DE 10 2012 007 601 A1, for focusing the light beams with respect to the x-axis on a second intermediate image, in DE 10 2012 007 601 A1 is provided with reference numeral 64.
  • the anamorphic homogenization optics 46 described above can, for example, represent or include the component 68 shown in FIGS. 4 to 6 of DE 10 2012 007 601 A1.
  • the condenser cylinder lens 48 described above can, for example, represent or include the condenser cylinder lens 74 shown in FIGS. 4 to 6 of DE 10 2012 007 601 A1.
  • the above-described imaging device 34 can, for example, represent or include the component 66 shown in FIGS. 4 to 6 of DE 10 2012 007 601 A1.
  • the optical system further includes a polarizing means 50 for each of the anamorphic optics einfal ⁇ lumbar laser beams 38, 40, 42, 44th
  • the Polari ⁇ sations is an optical system for adjusting the polarization direction of 50, for example, a l / 2 plate in the beam path of each of the incident laser beams 38, 40, 42, 44.
  • the optics 50 is in the beam path in front of the anamorphic optical system or the anamorphic homogenizing 46 arranged. Each incident laser beam passes through the optics 50, so that the laser beam 38, 40, 42, 44 passing through the optics 50 is linearly polarized in a defined direction.
  • the laser beam emitted by the laser is already linearly polarized, for example in the example of the UV solid-state laser shown here, and the orientation of the polarization is rotated in a defined direction by means of the optics 50.
  • the optics 50 for example the 1/2 plates, are oriented with respect to the polarization direction of the incident linearly polarized light so that two of the four laser beams are linearly polarized after passing through the optics 50 in the direction of the long axis, and the remaining two of the four laser beams after passing through the optics 50 in the direction of the short axis, are linearly polarized.
  • the feed direction corresponds to the direction of the short axis, so that the remaining two of the four laser beams are linearly polarized in the feed direction.
  • the optics 50 arranged in the beam path of the first and second laser beams 38, 40 are oriented such that the first and second laser beams 38, 40 each in the direction of the short axis , i.e. in the x-direction, in the feed direction, are polarized, and the optics 50 arranged in the beam path of the third and fourth laser beams 42, 44, for example the 1/2 plates, are each oriented so that the third and fourth laser beam 42 , 44 are each polarized in the direction of the long axis, i.e. in the y-direction.
  • the lasers are also operated in a pulsed manner, so that the individual pulses of the respective laser beam have the polarization direction of the respective laser beam described above.
  • the four laser beams 38, 40, 42, 44 can be the emitted laser radiation from four laser sources, ie each laser beam is assigned to a separate laser source.
  • the laser beams 38, 40, 42, 44 can have been created by beam splitting a laser beam emitted by a laser source into a first partial beam and a second partial beam by means of a beam splitter.
  • the beam splitter can be designed in such a way that it splits into the first partial beam, the transmitted beam, and in the second partial beam, the transmitted beam, for example of approximately 50% each.
  • polarizing optics can be used for this, for example what is known as a thin-film polarizer.
  • Thin-film polarizers are optical substrates with a special coating that allows light with p-polarization (plane of oscillation of the electrical vector parallel to the plane of the incident beam and the perpendicular on the substrate surface) to pass and light with s-polarization (plane of oscillation of the electrical vector perpendicular ⁇ right to the plane of the incident beam and the perpendicular on the substrate surface) reflected.
  • p-polarization plane of oscillation of the electrical vector parallel to the plane of the incident beam and the perpendicular on the substrate surface
  • s-polarization plane of oscillation of the electrical vector perpendicular ⁇ right to the plane of the incident beam and the perpendicular on the substrate surface
  • the 1/2 plate in front of the thin-film polarizer can, however, also be rotated in such a way that different proportions of p- and s-polarization occur in the laser beam in front of the thin-film polarizer, in order to achieve a division different from 50%.
  • the relative intensity of the first partial beam to the second partial beam can be adjusted by means of the orientation of the 1/2 plate.
  • a linearly polarized laser beam 52 emitted by a laser source strikes a 1 ⁇ 2 plate 54 which is arranged in the beam path in front of the beam splitter 56, here a thin-film polarizer.
  • the 1/2 plate 54 is oriented so that the relative proportions of s and p polarization in the laser beam after the 1/2 plate corresponds to the desired relative intensity of the two partial beams 58, 60 after the beam splitter 56, as described generally above .
  • the first partial beam 58 can then, for example, be the first laser be beam 38 of the arrangement of Figures 3a and 3b, and the second partial beam 60 can then be, for example, the third laser beam 42 of Figures 3a and 3b.
  • the second partial beam 60 is deflected by means of a reflective element 62 such that it runs parallel to the first partial beam 58.
  • a 1/2 plate 64 is arranged in the beam path behind the beam splitter 56 in the beam path of the first partial beam and the second partial beam, which the 1/2 plates 50 from Figures 3a and 3b in the beam path of the first laser beam 38 and the third
  • Laser beam 42 correspond. That is, the downstream 1 ⁇ 2 plate 64 in the beam path of the first partial beam 58 serves for polarization in the direction of the short axis. The downstream 1 ⁇ 2 plate 64 in the beam path of the second partial beam 60 then serves for polarization in the direction of the long axis.
  • the second and fourth laser beams 40, 44 can be provided with a further arrangement corresponding to the arrangement in FIG. 4 with a beam splitter 56 by beam splitting.
  • the downstream 1/2 plates 64 are then again oriented such that they polarize a third and fourth partial beam in the direction of the short axis and in the direction of the long axis.
  • the four laser beams of FIGS. 3a and 3b can therefore alternatively be provided by 2 laser sources, the emitted laser beams of which are then divided into a first and second partial beam 58, 60 or a third and fourth partial beam by beam splitting.
  • the optical system 30 from FIGS. 3a and 3b can also be used, as already described above, to superimpose a number other than 4 laser beams, for example 2 laser beams.
  • the 2 laser beams can then be provided by 2 laser sources in accordance with the 4 laser beams, or by a laser source, the emitted laser beam of which is then split into a first partial beam and a second partial beam by means of an arrangement corresponding to or the same as in FIG.
  • the optical system 30 of FIGS. 3a and 3b is also set up in such a way that the pulses of different polarization are each offset in time with respect to one another with a predetermined time interval ⁇ t.
  • this can be achieved by electronically delaying the trigger signals from the laser sources.
  • the time delay can be achieved by a beam detour.
  • the second partial beam 60 covers a path which is longer by the path As than the first partial beam 58.
  • the path As can be chosen so that that a time delay arises by the predetermined time interval At of the second partial beam 60 with respect to the first partial beam 58.
  • the predetermined time interval is preferably 10 ns to 20 ns.
  • At least one laser pulse polarized in the direction of the short axis and one laser pulse polarized in the direction of the long axis are superimposed on the illumination line in a homogenized manner, the one in the direction of the long axis polarized pulse is delayed by the time interval At with respect to the pulse polarized in the direction of the short axis.
  • two laser beams are polarized in the direction of the short axis and 2 laser beams are polarized in the direction of the long axis, whereby the laser beams with polarization in the direction of the short axis are synchronized and the laser beams with polarization in the direction of the long axis are synchronized of the laser beams with polarization in the direction of the short axis are delayed in time by the same time interval At.
  • the inhomogeneities are due to the fact that when combining two (or more) lasers Each laser source has an independent time jitter. It is therefore advantageous to use (pulsed) laser sources with the smallest possible time jitter in the ns range.
  • the anamorphic homogenizing optics 46 are designed in such a way that each incoming light beam is split up into partial beams and is superimposed in a homogenized manner in the direction of the long axis. That means, every single ray creates a homogeneous line.
  • both the laser pulse which is polarized in the direction of the short axis and precedes in time, is superimposed and imaged as a homogeneous line, as well as the laser pulse, which is polarized in the direction of the long axis and is delayed in time with respect to the first pulse.
  • each of the laser pulses that are polarized in the direction of the short axis and are temporally ahead are superimposed and imaged as a homogeneous line, as are each of the laser pulses that are polarized in the direction of the long axis and temporally with respect to the first pulses are delayed.
  • the disclosed method is exemplified using an arrangement with four laser sources, i. a first laser source 66, a second laser source 68, a third laser source 70 and a fourth laser source 72.
  • the first laser source 66 and the second laser source 68 are each provided to provide a first laser beam 74 with a first laser pulse 76 and a second laser beam 78 with a second laser pulse 80, the first and second laser pulses 76, 80 being synchronized with trigger signals 82 first and second laser sources 66, 68 are emitted simultaneously.
  • the third and fourth laser sources 70, 72 are provided to each provide a third laser beam 84 with a third laser pulse 86 and a fourth laser beam 88 with a fourth laser pulse 90, the trigger signals 92 of the third and fourth laser sources 70, 72 each around the time interval At can be delayed electronically, for example by means of an electronic delay circuit 94, so that the third and fourth laser pulses 86, 90 are each emitted with a time delay by the time interval At with respect to the first pulse 76 and the second pulse 80 and propagate with a time delay.
  • the first laser pulse 76 and the second laser pulse 80 are furthermore linearly polarized in the direction of the feed direction, i.e.
  • the first to fourth laser pulses 76, 80, 86, 90 typically have a time width at half maximum (FWHM) in the range of 15 ns to 20 ns. Typical times for the time interval At are between 10 ns and 20 ns.
  • the four laser beams 74, 78, 84, 88 with the four laser pulses 76, 80, 86, 90 are then converted into a laser pulse having a short axis and a long axis in line form, for example by means of the method based on FIGS. 3a and 3b
  • the laser pulse thus formed is then imaged as an illumination line 36 on an image plane of the semiconductor material, for example by means of the imaging device 34 described with reference to FIGS. 3a and 3b.
  • the disclosed method is described by way of example using an arrangement with two laser sources.
  • the first laser source 66 corresponds to the first laser source of Figure 5
  • the second laser source 70 corresponds to the third laser source of Figure 5.
  • the trigger signal 92 of the second laser source 70 electronically with respect to the trigger signal 82 of the first laser source 66 to the Zeitin ⁇ interval At delayed, so that the second laser pulse 86 propagates delayed by the time interval At with respect to the first laser pulse 76.
  • the first laser pulse 76 is linearly polarized in the direction of the short axis of the laser pulse formed later or the line of illumination in the form of a line
  • the second laser pulse 86 is linearly polarized perpendicular thereto in the direction of the long axis, for example by means of the FIGS. 3a and 3b l / 2 plate 80.
  • the described direction of the short axis corresponds to the direction of feed, with the later shaped BL LEVEL ⁇ tung line 36 with respect to the is moved to be processed semiconductor material 12th Analogous to the method in FIG.
  • the two laser beams 74, 84 with the two laser pulses 76, 86 are then converted into a laser pulse with a short axis and a long axis in line form, for example by means of the beam shaping device 32 described with reference to FIGS. 3a and 3b.
  • the laser pulse formed in this way is then imaged as an illumination line 36 on an image plane of the semiconductor material 12, for example by means of the imaging device 34 described with reference to FIGS. 3a and 3b.
  • the linear geometry of the thus formed illumination line 36 was the basis of the Figu ⁇ ren explained 2a to 2c.
  • the combined intensity profile over time that is to say the intensity of the superimposed and mutually delayed pulses as a function of time, of the illumination line formed in this way will now be explained with reference to FIG.
  • the combined intensity profile 96 over time is shown as an example for the method disclosed in FIG. 6 with two laser beams.
  • FIG. 7 also shows both the combined intensity of the two laser beams 74, 84 and the intensity of the pulses for each individual laser beam as a function of time.
  • FIG. 7 also shows both the combined intensity of the two laser beams 74, 84 and the intensity of the pulses for each individual laser beam as a function of time.
  • the intensity profile marked with the reference number 98 corresponds to the intensity profile of the first laser pulse 76 of the first laser beam 74
  • the intensity profile marked with the reference number 100 corresponds to the intensity profile of the second laser pulse 86 of the second laser beam 84
  • the intensity profile marked with the reference number 96 the combined temporal intensity profile of the first and second pulse 76, 86.
  • the first and the second laser pulse 76, 86 each have a time width at half maximum (FWHM) that is between 15 ns and 20 ns.
  • FWHM time width at half maximum
  • the second laser pulse 86 is delayed in time with respect to the first laser pulse 76, specifically by a period of approximately 10 ns to 20 ns. In FIG. 7 the duration is approximately 20 ns.
  • a pulse profile in the combined time intensity profile 96 which has a first maximum M1 and a second maximum M2 and which has a widened pulse duration 102 in relation to the individual pulse duration, namely a total pulse length of 40 ns to 50 ns.
  • the total pulse length 102 again corresponds to a temporal half-width, specifically the temporal half-width based on the first maximum ("Full Width at Half Maximum of First Maximum"), ie the width of the pulse at the point where the intensity of the first pulse is half of the maximum value Ml.
  • the maximum intensity Ml of the first laser pulse 76 is greater than the maximum intensity M2 of the second, time-delayed laser pulse 86.
  • the intensity of the first laser pulse 76 is set relative to the intensity of the second laser pulse 86 so that that the ratio of the first maximum Ml to the second maximum M2 of the combined intensity curve 96 over time, the ratio M1 / M2, is between 1 / 1.2 and 1 / 0.7, that is between 0.8 and 1.4.
  • each laser beam is provided by a separate laser source
  • this can be achieved in that the intensities of the individual laser beams are matched to one another.
  • the relative intensity can be adjusted by changing the s and p components of the light beam in front of the thin-film polarizer 56 by rotating the 1/2 plate accordingly 54 can be achieved.
  • the first laser pulse 76 is linearly polarized in the direction of the short axis, that is to say in the direction of advance
  • the second laser pulse 86 is linearly polarized in the direction of the long axis.
  • the semiconductor material to be processed was a 50 nm thin layer of amorphous silicon on a glass substrate as a carrier.
  • the optical arrangement used was a line beam arrangement with four UV solid-state lasers which emit light with a wavelength of 343 nm.
  • the four lasers were operated with a pulse repetition rate of 10 kHz.
  • the pulse length of the emitted pulses, i.e. the time half-value width, was between 15 ns and 20 ns.
  • the energy of a laser pulse was up to 20 mJ.
  • the energy density on the substrate, that is to say on the silicon layer, was 220 mJ / cm 2 .
  • the plurality of first and second laser pulses from a first and second laser of the four lasers were synchronized by synchronized trigger signals from the laser sources, so that a first laser pulse was emitted at the same time as a second laser pulse.
  • the plurality of third and fourth laser pulses of the third and fourth laser was delayed by 10 ns to 20 ns in each case with respect to the plurality of first and second laser pulses.
  • the intensities of the four laser beams were set so that a ratio of 1/1 resulted for the ratio of the first maximum to the second maximum in the combined intensity curve over time (M1 / M2).
  • the laser pulses of the four laser beams were transformed into a laser line with an arrangement corresponding to FIGS.
  • the line of illumination was moved with respect to the semiconductor layer at a feed rate of 20 mm / s, specifically in the direction of the short axis of the line of illumination.
  • the length of the line of illumination in the direction of the long axis was 90 mm with a homogeneity of 1.5% (2o).
  • the length of the illumination line in the direction of the short axis was 67 ⁇ m with a homogeneity of 3% (2o).
  • the total pulse length of the combined intensity curve over time was 45 ns (“Full Width at Half Maximum of First Maximum”).
  • FIG. 8a shows an image of the silicon surface recorded with a scanning electron microscope after the laser exposure according to experiment a
  • FIG. 8b shows an image of the silicon surface recorded with a scanning electron microscope after the laser exposure according to experiment b).
  • the feed direction was in the direction of the x-axis (short axis of the line of illumination), that is to say in the vertical direction with regard to FIGS. 8a and 8b.
  • FIG. 8a shows that a regular grain structure results perpendicular to the feed direction, that is to say in the y direction, in the direction of the long axis.
  • the grains are arranged in vertically running rows which are approximately equally spaced, with a spacing of approximately 0.35 ⁇ m, corresponding to the wavelength of the UV laser.
  • the grain structure shows a stripe pattern running in the direction of advance, the stripes being equally spaced and thus producing a homogeneity in the direction of the long axis.
  • the grain size in the direction of the long axis (y-direction) therefore exhibits great homogeneity. In the direction of the short axis (x direction), there is less homogeneity compared to the long axis.
  • FIG. 8b shows that there is no pronounced homogeneity, neither in the direction of the short axis (x direction) nor in the direction of the long axis (y direction).
  • the grain structure appears disordered in comparison to the grain structure of FIG. 8a, both in terms of the orientation and in terms of the size of the grains.
  • the laser crystallization process is based on the partial melting of the a-Si layer and the subsequent solidification starting from non-melted solid silicon on the glass substrate in a crystalline structure. Melting and solidifying takes place on a time scale from 10 ns to 100 ns and the subsequent cooling of the film to room temperature over several 100 ps.
  • the pulse repetition rate of 10 kHz corresponds to a period of 100 ps. Since the pulse repetition rate, the feed rate and the pulse width of the illumination line in the feed direction are dimensioned in such a way that a point of the semiconductor material is exposed several times during the exposure process, i.e.
  • the semiconductor material is repeatedly irradiated with UV light during the crystallization process.
  • the relatively long exposure comes through a pulse due to the relatively long laser pulse temporal profile over meh ⁇ eral 10 ns. This multiple exposure promotes the formation of uniform grain structures.
  • the polarization of the laser light in particular in combination with the multiple exposure described above, can have a positive effect on the regular polycrystalline silicon grain structure. This is due to a surface interference effect ("Laser Induced Periodical Pattern Structure", LIPSS), which results in a modulated intensity distribution. It has been shown that a regular structure is formed along the long axis when the light is directed in the direction of the long axis is linearly polarized, accordingly the effect in the feed direction can be observed if the light is linearly polarized in the direction of the short axis (feed direction).
  • LIPSS Laser Induced Periodical Pattern Structure
  • the LIPPS effect has been discussed in numerous publications, for example in the references (1) to (4) given below. It is assumed that the modulated intensity distribution is caused by an interaction of the incident light beam with the light beams diffracted on the surface and in the direction of the surface a resulting periodic distribution of the pulse energy density arises.
  • the “ripples” extend in a direction perpendicular to the E-field vector, that is, to the polarization direction of the light beam or light pulse and have a periodicity in the direction of the E-field vector.
  • the pulse energy density is at a minimum or a maximum.
  • the periodic pulse energy density causes the spatially periodic temperature distribution on the exposed semiconductor material layer, wherein the perio ⁇ sized temperature distribution is similar to the periodic pulse energy density distribution.
  • periodic temperature distribution also has yet to the thermal diffusion in the It has also been found that the periodic distribution of the pulse energy density varies with the thickness of the semiconductor material layer due to multiple reflections in the interior of the semiconductor material layer.
  • the E-field vector in order to obtain a periodicity or regularity in the direction of the long axis, the E-field vector must be in the direction of the long axis, i.e. the light or the light pulse in the direction of the long axis must be linearly polarized.
  • each pulse at least contain an amount of polarization in the direction of the long axis to be able must generate to a control ⁇ uniform grain structure in the direction of the long axis.
  • the temporal first pulse 76 or the temporal first pulses 76, 80 is polarized in the direction of the short axis, i.e. in the feed direction, and the second delayed pulse 86 or the second delayed pulses 86, 90 is polarized in the direction of the long axis.
  • the size of the energy density process window is 20 to 25 it ⁇ / cm 2 increased (for an energy density process window of 210 to 230 or 235 mJ / cm 2 ), compared to an exposure in which the first pulse and the second, delayed pulse have the same polarization distribution in the two directions. In this case, only about 10 mJ / cm 2 were observed for the size of the energy density process window (for an energy density process window of 215 to 225 mJ / cm 2 ).
  • the intensity curve 98 of the first laser pulse 76 is made up of the combined The intensity profile 98 of two first laser pulses 76, 80 combined, and the intensity profile 100 of the second laser pulse 86 from the combined intensity profile 100 of two second laser pulses 86, 90. It is possible to use pulsed laser sources with the smallest possible time jitter (for example in ns Range) to minimize variations from the combined intensity profile 98 to the combined intensity profile 98 or from the combined intensity profile 100 to the combined intensity profile 100.
  • the two first laser pulses 76, 80 and the two second laser pulses 86, 90 originate from different laser sources both in a device with optical delay and in a device with electronic delay, there is no such "smearing" due to time jitter different situation for electronic and optical delay.
  • the combined temporal intensity profile 96 of FIG. 7 is then obtained by superimposing the (combined) intensity profiles 98, 100.
  • the pulse widths and delays are selected so that the leading pulse 98 or the leading one Pulse combination 98 is superimposed with the following pulse 100 or the following pulse combination 100.
  • An existing, varying time jitter between the first pulse 98 and the second, time-delayed pulse 100 is thus mapped in a varying position and form of the maximum M2, in particular in the position and form of the maximum M2 from the combined intensity profile 96 to the combined intensity profile 96
  • the crystallization process can be based on these changes in intensity in the combined course of time with grain structure deviations, eg Deviations in the grain size react.
  • the optical delay by beam splitting and the provision of an optical delay path unlike the electronic delay, it can be achieved (for example in combination with pulsed laser sources with the smallest possible time jitter) that the leading pulse 98 and the delayed pulse 100 have a practically identical time jitter.
  • the pulses 98, 100 or the pulse combinations 98, 100 are superimposed, a fluctuation in the intensity profile is minimized and a homogeneous conversion of the amorphous semiconductor layer into a polycrystalline semiconductor layer is achieved over large areas.
  • This additional optical path can be achieved, for example, with the aid of a long focal length spherical telescope, which is located in the deceleration path (for example in the beam path of the second partial beam 60 of FIG. 4).
  • the laser beam (partial beam 60 of FIG. 4) can be imaged in a controlled manner over a large distance.
  • a telescope can be provided in which the focal length of the lens is identical to the focal length of the eyepiece.
  • the delay path can also be designed in such a way that it (its length) can be changed, for example with the aid of displaceably arranged deflection elements such as mirrors. In this way, a pulse length that is optimal for the crystallization process can be set.
  • the disclosure also provides for a UV laser source to be used in which two UV laser beams are generated from an IR source by generating the third harmonic wavelength (343 nm) is obtained from an IR laser beam (1030 nm).
  • a UV laser source uses the unconverted IR pulse energy (typically 50%) in the first SHG ("second harmonic generation") / THG ("third harmonic generation") crystal in a second SHG / THG crystal to generate the second UV laser beam to create.
  • These two UV rays do not have any varying time jitter to one another.
  • One of the two UV laser beams can then be optically delayed as described above, for example with the aid of a long-focal spherical telescope. With this solution, no beam splitting is necessary.
  • the formation of the periodic structure in the long axis is more successful the smaller the angular distribution of the laser light in the long axis in the delayed pulse 100. It is assumed that this is due to the dependence of the periodic pulse energy density distribution explained above with regard to the LIPPS effect due to the resulting interference along the surface. is to be returned (l / (1 ⁇ sine), where Q is the angle of incidence to the surface normal), which varies less, i.e. is sharper, the smaller the angular distribution of the incident light.
  • the rays in the delayed pulse are linearly polarized in the direction of the long axis. For this reason, the delay is preferably set for laser beams that are imaged close to the optical axis. Conversely, this means that the rays imaged at a distance from the optical axis should mainly be rays of the leading pulse with polarization perpendicular to the long axis.

Abstract

The invention relates to a method and an optical system for processing a semiconductor material layer, in particular for creating a crystalline semiconductor layer. The method comprises the following steps: - providing a first laser beam (74) having a first laser pulse (76) and a second laser beam (84) having a second laser pulse (86), - transforming the first laser pulse (76) and the second laser pulse (86), by means of a beam forming device, into a laser pulse in line form having a short axis and a long axis, - imaging the laser pulse that is thus formed in line form, by means of an imaging device, as an illumination line having a short axis and a long axis on the semiconductor material layer, wherein the method furthermore comprises the following steps: - adjusting a polarization direction of the first laser pulse (76) in the direction of the short axis of the illumination line (36), - adjusting a polarization direction of the second laser pulse (86) in the direction of the long axis of the illumination line, and - temporally delaying the second laser pulse (86) in respect of the first laser pulse (76) by a predetermined time interval Δt, which is chosen such that the illumination line imaged on the semiconductor material layer has a combined temporal intensity progression (96) in the form of a pulse having a first maximum (M1) and a second maximum (M2).

Description

Verfahren und optisches System zur Bearbeitung eines Halbleitermaterials Beschreibung Method and optical system for processing a semiconductor material Description
Die Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Halbleitermaterials, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, und ein optisches System zur Bearbeitung eines Halbleitermaterials, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht. The disclosure relates to a method for processing a semiconductor material, in particular for producing a crystalline semiconductor layer, and an optical system for processing a semiconductor material, in particular for producing a crystalline semiconductor layer.
Für die Kristallisation von Dünnfilmschichten beispielsweise für die Herstellung von Dünnfilmtransistoren (im Englischen: Thin Film Transistor, kurz: TFT) werden 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. Lasers are used for the crystallization of thin film layers, for example for the production of thin film transistors (in English: Thin Film Transistor, or TFT for short). The semiconductor to be processed is silicon (Si for short), more precisely amorphous silicon (a-Si for short). 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 Festkörper- lasers, beleuchtet. Dabei wird das Licht mit einer Wellenlänge von beispielsweise 343 nm zu einer Beleuchtungslinie geformt und auf einer Bildebene des Halbleitermateri¬ als abgebildet. Die Beleuchtungsiinie 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 is formed into a line of illumination and, as imaged on an image plane of Halbleitermateri ¬ nm with a wavelength of, for example, 343rd The illumination line 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 amor- phem 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 ps. 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 Kristall Struktur bewirkt beispielsweise eine hohe Leitfähigkeit aufgrund einer hohen Mobilität der Elektronen und positiven Ladungslöcher. 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 starting from non-melted 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 ps. When irradiating and converting the layer of amorphous silicon into a layer of polycrystalline silicon, a uniform intensity of the illumination line 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 electrons and positive charge holes.
Inhomogenitäten können insbesondere entlang der langen Strahlachse sowie senk recht 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 und der Energiedichte Puls zu Puls zurückzuführen sind. Inhomogeneities can occur in particular along the long beam axis and perpendicular to it along the short beam axis when the line of illumination 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 scanning direction or in the feed direction. So-called "shot mura" occur perpendicular to this, which can be traced back to fluctuations in intensity and energy density pulse to pulse.
Um die„Shot-Mura" so klein wie möglich zu machen, sollte die Schwankung in der Energiedichte sowie in dem zeitlichen Intensitätsverlauf von Laserpuls zu Laserpuls so klein wie möglich sein, beispielsweise durch Verwendung von Lasern mit sehr guter Pulsstabilität und durch Überlagerung von Laserstrahlen mehrerer Laserquellen. Um die„Scan-Mura" so klein wie möglich zu machen, sollte die Intensität der Beleuchtungslinie entlang der langen Achse möglichst homogen sein. Es ist ferner bekannt,„Scan-Mura" zu reduzieren, indem die Beleuchtungslinie während des Scan¬ nens mit Hilfe eines um eine Drehachse vibrierenden Spiegels mit Frequenzen von 10 Hz bis 200 Hz um 1 mm bis 2 mm in Richtung der langen Achse hin- und hergeschoben wird, um so eventuelle Inhomogenitäten entlang der langen Achse zu„verschmieren". In order to make the "shot mura" as small as possible, the fluctuation in the energy density and in the temporal intensity curve from laser pulse to laser pulse should be as small as possible, for example by using lasers with very good pulse stability and by superimposing several laser beams Laser sources. In order to make the "scan mura" as small as possible, the intensity of the illumination line should be as homogeneous as possible along the long axis. It is also known to reduce "Scan-Mura", by the illumination line during the scan ¬ nens mm by means of a vibrating about an axis of mirror having frequencies of 10 Hz to 200 Hz to 1 to 2 mm in the direction of the long axis departures and is pushed in order to "smear" any inhomogeneities along the long axis.
Weiterhin bekannt sind sogenannte„Stickstoff-Mura", die darauf zurückführen sind, dass während der Bestrahlung die Substratbelichtungsfläche, also die Oberfläche der zu bearbeitenden Materialschicht, beispielsweise der Halbleiterschicht, mit Stickstoff gespült wird, um dort die Sauerstoffkonzentration auf Werte zwischen 10 ppm und 20 ppm zu reduzieren und so eine Oxidation des Materials, wie beispielsweise Silizium, zu verhindern. Dazu wird ein laminarer Stickstoffstrom unmittelbar über der zu belichtenden Materialschicht geführt. Dabei können Inhomogenitäten in der laminaren Strömung zu Inhomogenitäten in der Kristallstruktur, den sogenannten„Stick- stoff-Mura", führen. Also known are so-called "nitrogen mura", which can be traced back to the fact that during the irradiation the substrate exposure area, i.e. the surface of the material layer to be processed, for example the semiconductor layer, is flushed with nitrogen in order to reduce the oxygen concentration to values between 10 ppm and To reduce 20 ppm and thus prevent oxidation of the material, such as silicon. For this purpose, a laminar nitrogen flow is passed directly over the material layer to be exposed. Inhomogeneities in the laminar flow can lead to inhomogeneities in the crystal structure, the so-called "nitrogen mura".
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 pm bis 0,4 pm. Für linear polarisiertes Licht kann sich die modulierte Intensitätsverteilung nur in Richtung der Polarisation ausbilden, also in der Richtung des E-Feld Vektors. Experi¬ mentelle Untersuchungen zeigen, dass die regelmäßige Struktur entlang der langen Strahlachse sich dann ausbildet, wenn das Licht in der langen Achse polarisiert ist, entsprechend ist der Effekt in Vorschubrichtung beobachtbar, wenn das Licht in Richtung der Vorschubrichtung polarisiert ist. 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 pm to 0.4 pm result. For linearly polarized light, the modulated intensity distribution can only develop in the direction of polarization, i.e. in the direction of the E-field vector. Experi ¬-experimental investigations show that the regular structure along the long beam axis is then formed, when the light is polarized in the long axis corresponding to the effect in the feed direction is observable when the light is polarized in the direction of the feed direction.
Die vorliegende Offenbarung stellt ein verbessertes Verfahren zur Bearbeitung eines Halbleitermaterials bereit, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung gleichmäßig kristallisierter Halbleiterschichten. Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine verbesserte Vorrichtung zur Bearbeitung eines Halbleitermaterials bereit, insbesondere eine Vorrichtung zur Herstellung gleichmäßig kristallisierter Halbleiterschichten. Dabei sind gleichmäßig kristallisierte Halbleiterschichten insbesondere Halbleiterschichten mit gleichmäßigen Kristallkorngrößen. The present disclosure provides an improved method for processing a semiconductor material, in particular a method for producing uniformly crystallized semiconductor layers. The present invention further provides an improved apparatus for processing a semiconductor material, in particular an apparatus for producing uniformly crystallized semiconductor layers. In this case, uniformly crystallized semiconductor layers are in particular semiconductor layers with uniform crystal grain sizes.
Es wird ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein optisches System mit den Merkmalen von Anspruch 11 bereitgestellt. A method having the features of claim 1 and an optical system having the features of claim 11 are provided.
Es wird ein Verfahren zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, offenbart, das die folgenden Schrit¬ te umfasst: A method for processing a layer of semiconductor material, in particular for producing a crystalline semiconductor layer disclosed, comprising the following Schrit ¬ te comprising:
Bereitstellen eines ersten Laserstrahls mit einem ersten Laserpuls und eines zweiten Laserstrahls mit einem zweiten Laserpuls, Umformen des ersten Laserpulses und des zweiten Laserpulses, anhand einer Strahlformungseinrichtung, in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform, Providing a first laser beam with a first laser pulse and a second laser beam with a second laser pulse, Reshaping the first laser pulse and the second laser pulse, using a beam shaping device, into a laser pulse with a short axis and a long axis in line form,
Abbilden des so geformten Laserpulses in Linienform, anhand einer Ab- bildungseinrichtung, als eine Beleuchtungslinie mit einer kurzen Achse und einer langen Achse auf der Halbleitermaterialschicht, Imaging of the laser pulse formed in this way in line form, using an imaging device, as an illumination line with a short axis and a long axis on the semiconductor material layer,
Einstellen einer Polarisationsrichtung des ersten Laserpulses in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie, Setting a polarization direction of the first laser pulse in the direction of the short axis of the illumination line,
Einstellen einer Polarisationsrichtung des zweiten Laserpulses in Rich- tung der langen Achse der Beleuchtungslinie, und Setting a polarization direction of the second laser pulse in the direction of the long axis of the illumination line, and
zeitliches Verzögern des zweiten Laserpulses bezüglich des ersten Laserpulses um ein vorbestimmtes Zeitintervall At, das so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht abgebildete Beleuchtungslinie einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf in der Form eines Pulses mit einem ersten und einem zweiten Maximum aufweist. temporal delay of the second laser pulse with respect to the first laser pulse by a predetermined time interval At, which is selected such that the illumination line imaged on the semiconductor material layer has a combined temporal intensity profile in the form of a pulse with a first and a second maximum.
Dabei gibt die oben angegebene Reihenfolge der Verfahrensschritte keine zeitliche Reihenfolge wieder, in der die Schritte ausgeführt werden. Typischerweise findet beispielsweise die Einstellung der Polarisationsrichtung im Strahlengang dort statt, wo die Einzelstrahlen, also der erste und zweite Laserstrahl, getrennt sind. Die Umformung, Homogenisierung und Überlagerung der Einzelstrahlen findet notwendigerweise nach dem Bereitstellen des ersten und zweiten Laserstrahls statt. Der Schritt des zeitlichen Verzögerns kann vor oder nach der Ausrichtung der Polarisation des ersten und zweiten Laserstrahls erfolgen. Die zeitliche Reihenfolge der angege- benen Schritte kann prinzipiell aber auch anders sein. The sequence of the method steps given above does not reflect the chronological sequence in which the steps are carried out. Typically, for example, the setting of the polarization direction in the beam path takes place where the individual beams, that is to say the first and second laser beams, are separated. The reshaping, homogenization and superposition of the individual beams necessarily take place after the first and second laser beams have been provided. The step of time delay can occur before or after the alignment of the polarization of the first and second laser beams. The chronological order of the specified steps can in principle also be different.
Das zu bearbeitende Halbleitermaterial kann beispielsweise eine dünne Schicht mit einer Dicke von ca. 50 nm aus amorphem Silizium sein, die auf einem Träger, wie beispielsweise einem Glassubstrat, aufgebracht ist. The semiconductor material to be processed can be, for example, a thin layer with a thickness of approximately 50 nm made of amorphous silicon, which is applied to a carrier such as a glass substrate.
Der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl werden von mindestens einem Laser bereitgestellt, wie später noch genauer erläutert wird. Der Laser kann beispielsweise ein UV-Festkörperlaser sein, der Licht mit einer Wellenlänge von 343 nm emittiert. Typische zeitliche Halbwertsbreiten (FWHM,„Full Width at Half Maximum") des ers- ten und des zweiten Laserpulses reichen von 15 ns bis 20 ns. Dabei ist der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl typischerweise linear-polarisiert. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Polarisation des ersten und des zweiten Pulses jeweils in einer bestimmten, vordefinierten Richtung eingestellt, beispielsweise anhand einer Polarisationseinrichtung. So wird der erste Laserpuls in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie linear-polarisiert und der zweite Laserpuls wird in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie linear-polarisiert. Der von einem Festkörperlaser emittierte Puls ist typischerweise linear-polarisiert. Ist der emittierte Puls linear-polarisiert, wird gemäß dem offenbarten Verfahren die Polarisationsrichtung des emittierten ersten und zweiten Pulses jeweils in eine vorbestimmte, defi¬ nierte Richtung gedreht. Dies kann mittels einer Polarisationseinrichtung wie einer l/2 Platte mit entsprechender Orientierung bezüglich des auf die l/2 Platte treffen¬ den Strahls bzw. Pulses ausgeführt werden. Speziell wird die Polarisationsrichtung des ersten Pulses in Richtung einer kurzen Achse gedreht, die später noch genauer erläutert wird. Die Polarisation des ersten Pulses wird also in Richtung der kurzen Achse ausgerichtet, und zwar so, dass die Polarisation fast ausschließlich in Richtung der kurzen Achse ausgerichtet ist, beispielsweise so, dass der Anteil an linearpolarisiertem Licht in einer Richtung senkrecht zu der kurzen Achse 1% beträgt (Po¬ larisationsverhältnis 100:1), oder beispielsweise so, dass das Polarisationsverhältnis 95:5 beträgt. Die Polarisationsrichtung des zweiten Pulses wird in Richtung einer langen Achse gedreht, die später auch noch genauer erläutert wird und senkrecht zu der Richtung der kurzen Achse ist. Die Polarisation des zweiten Pulses wird also in Richtung der langen Achse ausgerichtet, und zwar so, dass die Polarisation fast ausschließlich in Richtung der langen Achse ausgerichtet ist, beispielsweise so, dass der Anteil an linear-polarisiertem Licht in einer Richtung senkrecht zu der langen Achse 1% beträgt (Polarisationsverhältnis 100:1), oder beispielsweise so, dass das Polarisa¬ tionsverhältnis 95:5 beträgt. The first laser beam and the second laser beam are provided by at least one laser, as will be explained in more detail later. The laser can be, for example, a UV solid-state laser that emits light with a wavelength of 343 nm. Typical half-widths (FWHM, “Full Width at Half Maximum”) of the first and second laser pulses range from 15 ns to 20 ns. The first laser beam and the second laser beam are typically linearly polarized. In a further method step, the polarization of the first and the second pulse is each set in a specific, predefined direction, for example using a polarization device. The first laser pulse is linearly polarized in the direction of the short axis of the illumination line and the second laser pulse is linearly polarized in the direction of the long axis of the illumination line. The pulse emitted by a solid-state laser is typically linearly polarized. If the emitted pulse linearly polarized, the disclosed method is rotated in each case, the polarization direction of the emitted first and second pulse in a predetermined defi ned ¬ direction according to. This can be carried out by means of a polarization device such as a 1/2 plate with a corresponding orientation with respect to the beam or pulse impinging on the 1/2 plate. In particular, the direction of polarization of the first pulse is rotated in the direction of a short axis, which will be explained in more detail later. The polarization of the first pulse is thus aligned in the direction of the short axis, namely in such a way that the polarization is almost exclusively aligned in the direction of the short axis, for example so that the proportion of linearly polarized light in a direction perpendicular to the short axis is 1% is (Po ¬ larisa tion ratio 100: 1), or for example so that the polarization ratio of 95: 5. The direction of polarization of the second pulse is rotated in the direction of a long axis, which will also be explained in more detail later and is perpendicular to the direction of the short axis. The polarization of the second pulse is thus aligned in the direction of the long axis, specifically in such a way that the polarization is almost exclusively aligned in the direction of the long axis, for example so that the proportion of linearly polarized light in a direction perpendicular to the long axis 1% (polarization ratio 100: 1), or for example so that the ratio of polarization ¬ tion 95: 5.
Des Weiteren wird der zweite Puls bezüglich des ersten Pulses um das vorbestimmte Zeitintervall At zeitlich verzögert. Typische zeitliche Verzögerungszeiten belaufen sich auf 5 ns bis 20 ns. Ganz allgemein wird das Zeitintervall At so gewählt, dass bei einem Abbilden einer später noch beschriebenen Beleuchtungslinie auf der Halbleitermaterialschicht eine zeitliche Überlagerung der beiden Pulse zu einem einzigen Puls gegeben ist. Die zeitliche Überlagerung resultiert in einem kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf mit einem ersten Maximum und einem zweiten Maximum. Furthermore, the second pulse is delayed in time with respect to the first pulse by the predetermined time interval At. Typical time delay times are 5 ns to 20 ns. In general, the time interval At is chosen such that when a later-described illumination line is mapped onto the semiconductor material layer, the two pulses are overlaid over time to form a single pulse. The temporal superposition results in a combined temporal intensity profile with a first maximum and a second maximum.
Der erste und der zweite Puls werden anhand einer Strahlformungseinrichtung in einem weiteren Verfahrensschritt zu einer Laserlinie, also einem Laserpuls in Linienform, umgeformt. Die Strahlformungseinrichtung kann eine anamorphotische Optik bilden. Sie kann beispielsweise einen Linsenarray-Homogenisierer aufweisen, die auf dem Prinzip basieren, dass der oder die einfallenden Laserstrahlen in viele Teilstrahlen zerlegt werden, die anschließend räumlich überlagert werden. Die Laserlinie hat eine kurze Achse und eine lange Achse. In a further method step, the first and the second pulse are converted into a laser line, that is to say a laser pulse in the form of a line, using a beam shaping device. The beam shaping device can be anamorphic optics form. For example, it can have a lens array homogenizer which is based on the principle that the incident laser beam or beams are split up into many partial beams, which are then spatially superimposed. The laser line has a short axis and a long axis.
Die so gebildete Laserlinie wird mittels einer Abbildungseinrichtung als eine Beleuchtungslinie auf einer Bildebene des Halbleitermaterials abgebildet. Die Beleuchtungslinie hat ebenfalls eine kurze Achse und eine lange Achse, deren Richtung die The laser line thus formed is imaged as an illumination line on an image plane of the semiconductor material by means of an imaging device. The line of illumination also has a short axis and a long axis, the direction of which is the
Polarisation des ersten und zweiten Pulses vorgeben. Typischerweise fallen die Richtungen der kurzen Achse und der langen Achse der Beleuchtungslinie mit der Richtung der kurzen Achse und der langen Achse des Laserpulses in Linienform Specify the polarization of the first and second pulse. Typically, the directions of the short axis and the long axis of the illumination line coincide with the direction of the short axis and the long axis of the laser pulse in line form
zusammen. Die Länge der Beleuchtungslinie, also die geometrische Ausdehnung in Richtung der langen Achse, beträgt typischerweise zwischen 100 mm und 1000 mm sein, beispielsweise 100 mm, 250 mm, 750 mm oder 1000 mm. Sie kann auch länger sein, wenn die Strahlformungseinrichtung und/oder Abbildungseinrichtung entspre¬ chend ausgebildet ist. Die Breite der Beleuchtungslinie, also die geometrische Aus¬ dehnung in Richtung der kurzen Achse, wird bei einer gaußförmigen Verteilung als Halbwertsbreite (FWHM) angegeben und beträgt typischerweise zwischen 20 pm und 200 pm. Bei einer flachen Verteilung wird die Breite an der Stelle gemessen, an der die Intensität 90% beträgt („Full Width 90%"), und beträgt auch typischerweise zwischen 20 pm und 200 pm. together. The length of the lighting line, that is to say the geometric extension in the direction of the long axis, is typically between 100 mm and 1000 mm, for example 100 mm, 250 mm, 750 mm or 1000 mm. They can be longer if the beam shaping device and / or imaging device entspre ¬ adapted accordingly. The width of the illumination line, thus the geometric from ¬ strain in the short axis direction, is given at a Gaussian distribution as a half-value width (FWHM), and is typically pm and 200 pm between 20th In the case of a flat distribution, the width is measured at the point at which the intensity is 90% (“Full Width 90%”) and is also typically between 20 μm and 200 μm.
In einem weiteren Verfahrensschritt kann die Beleuchtungslinie relativ zu der Halb¬ leitermaterialschicht in einer Vorschubrichtung bewegt werden. Der erste Puls ist dann in Richtung des Vorschubs linear-polarisiert, da die Vorschubrichtung der Rich¬ tung der kurzen Achse entspricht. Durch das Überstreichen der Halbleitermaterial¬ schicht mit der Beleuchtungslinie kann die gesamte Halbleitermaterialschicht oder zumindest ein größerer Bereich der Halbleitermaterialschicht belichtet und damit bearbeitet werden. Der Träger mit dem Halbleitermaterial kann beispielsweise auf einem in der Vorschubrichtung beweglichen Tisch angeordnet sein und so relativ zu der Beleuchtungslinie bewegbar sein. Typische Vorschubgeschwindigkeiten reichen von 5 mm/s bis 50 mm/s. In a further method step, the illumination line can conductor material layer relative to the half-¬ in a feeding direction to be moved. The first pulse is then linearly polarized in the direction of feed, since the feed direction of the Rich ¬ processing corresponds to the short axis. By sweeping the semiconductor material layer ¬ with the illumination line, the entire semiconductor material layer or at least a major portion of the semiconductor material layer is exposed and processed it. The carrier with the semiconductor material can be arranged, for example, on a table that can be moved in the feed direction and can thus be moved relative to the illumination line. Typical feed speeds range from 5 mm / s to 50 mm / s.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann die relative Intensität des ersten Laserpulses und des zweiten Laserpulses so gewählt werden, dass das Verhältnis von dem ersten Maximum zu dem zweiten Maximum in dem kombinierten zeitlichen Intensitätsver¬ lauf in dem Bereich von 0,8 bis 1,4, insbesondere im Bereich von 0,9 bis 1,2 liegt, insbesondere 1,0 ist. Da sich der kombinierte zeitliche Intensitätsverlauf durch Überlagerung des zeitlichen Intensitätsverlaufs des ersten und zweiten Pulses ergibt, kann durch die Intensitäten des ersten und zweiten Pulses, unter Berücksichtigung des Zeitintervalls At, das Verhältnis von dem ersten Maximum zu dem zweiten Maximum in dem kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf eingestellt werden. Es hat sich herausgestellt, dass sich in Kombination mit der definierten Polarisationsrichtung des ersten und zweiten Pulses, wie oben beschrieben wurde, für den angegebenen Bereich des Verhältnisses des ersten Maximums zu dem zweiten Maximum besonders homogene Kornstrukturen in der gebildeten (poly)kristallinen Halbleiterschicht ergeben haben. According to a further aspect, the relative intensity of the first laser pulse and the second laser pulse can be selected so that the ratio of the first maximum to the second maximum in the combined time intensity curve in the range from 0.8 to 1.4, in particular is in the range from 0.9 to 1.2, especially 1.0. Since the combined temporal intensity curve results from superimposing the temporal intensity curve of the first and second pulse, the ratio of the first maximum to the second maximum in the combined temporal intensity curve can be set using the intensities of the first and second pulse, taking into account the time interval At will. It has been found that, in combination with the defined polarization direction of the first and second pulse, as described above, particularly homogeneous grain structures have resulted in the (poly) crystalline semiconductor layer formed for the specified range of the ratio of the first maximum to the second maximum .
Der kombinierte zeitliche Intensitätsverlauf der Beleuchtungslinie kann eine zeitliche Halbwertsbreite, bezogen auf das erste Maximum des kombinierten zeitlichen Inten¬ sitätsverlaufs, zwischen 40 und 50 ns aufweisen. Durch die relativ lange Pulsdauer wird über mehrere 10ns der Kristallisationsprozess beeinflusst und die Ausbildung gleichmäßiger Kornstrukturen gefördert. The combined temporal intensity profile of the illumination line can be a temporal half-width, based on the first maximum of the combined temporal Inten ¬ sitätsverlaufs having between 40 and 50 ns. The relatively long pulse duration influences the crystallization process over several 10ns and promotes the formation of uniform grain structures.
Gemäß einem weiteren Aspekt werden ein erster Laser und ein zweiter Laser bereit¬ gestellt, die dazu ausgebildet sind, jeweils den ersten Laserstrahl und den zweiten Laserstrahl zu emittieren, und die so gesteuert werden, dass der zweite Laserpuls um das Zeitintervall At verzögert zu dem ersten Laserpuls emittiert wird. Die Verzöge¬ rung kann beispielsweise durch elektronisches Verzögern des Triggersignals des zweiten Lasers bezüglich des Triggersignals des ersten Lasers erreicht werden. According to another aspect, a first laser and a second laser are provided ¬ which are adapted in each case to emit the first laser beam and the second laser beam, and which are controlled so that the second laser pulse by the time interval At is delayed to the first Laser pulse is emitted. The tarry ¬ tion, for example, by electronically delaying the trigger signal of the second laser with respect to the trigger signal of the first laser can be achieved.
Alternativ dazu ist es vorgesehen, dass ein erster Laser bereitgestellt wird, der dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl mit einem Puls bereitzustellen, und dass der Laser¬ strahl des ersten Lasers in einen ersten Laserstrahlanteil und in einen zweiten Laserstrahlanteil aufgeteilt wird, wobei der erste Laserstrahlanteil den ersten Laserstrahl mit dem ersten Laserpuls bildet und der zweite Laserstrahlanteil den zweiten Laser¬ strahl mit dem zweiten Laserpuls bildet. Bei dieser Alternative wird also ein Laser bereitgestellt, der im Pulsbetrieb betrieben wird, und dessen emittierter Laserstrahl anhand eines Strahlteilers in den ersten Laserstrahl und den zweiten Laserstrahl aufgeteilt wird. Alternatively, it is provided that a first laser is provided which is adapted to provide a laser beam with a pulse, and that the laser ¬ ray of the first laser is divided into a first laser beam portion and a second laser beam portion, the first laser beam portion forming the first laser beam of the first laser pulse and the second laser beam portion forms the second laser beam ¬ with the second laser pulse. In this alternative, a laser is provided which is operated in pulsed mode and whose emitted laser beam is split into the first laser beam and the second laser beam by means of a beam splitter.
Bei dieser Alternative kann die zeitliche Verzögerung des zweiten Pulses bezüglich des ersten Pulses dadurch erreicht werden, dass die optische Weglänge des zweiten Laserstrahls von dem Ort der Strahlteilung bis zu der Bildebene des Halbleitermateri- als größer ist als die optische Weglänge des ersten Laserstrahls von dem Ort der Strahlteilung bis zu der Bildebene des Halbleitermaterials, so dass sich eine Phasenverschiebung des ersten Pulses bezüglich des zweiten Pulses ergibt. Prinzipiell ist es natürlich auch bei der Variante mit zwei Lasern möglich, dass die zeitliche Verzögerung des zweiten Pulses bezüglich des ersten Pulses durch eine größere optische Weglänge des zweiten Pulses bereitgestellt wird. In this alternative, the time delay of the second pulse with respect to the first pulse can be achieved in that the optical path length of the second laser beam from the point of beam splitting to the image plane of the semiconductor material than is greater than the optical path length of the first laser beam from the location of the beam splitting to the image plane of the semiconductor material, so that there is a phase shift of the first pulse with respect to the second pulse. In principle it is of course also possible in the variant with two lasers that the time delay of the second pulse with respect to the first pulse is provided by a greater optical path length of the second pulse.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der erste Laserpuls ein Laserpuls von einer Vielzahl von ersten Laserpulsen des ersten Laserstrahls sein und der zweite Laserpuls ein Laserpuls von einer Vielzahl von zweiten Laserpulsen des zweiten Laserstrahls sein, und wobei jeder der Vielzahl von Laserpulsen des zweiten gepulsten Laserstrahls jeweils zeitlich verzögert bezüglich eines anderen der Vielzahl von Laserpulsen des ersten gepulsten Laserstrahls um das vorbestimmte Zeitintervall At ist. Der oder die Laser werden also gepulst betrieben und emittieren eine Vielzahl von Laserpulsen mit einer bestimmten Pulswiederholrate, z.B. 10 kHz. Dabei werden die Laserpulse des zweiten Laserstrahls so zeitlich gegenüber den ersten Laserpulsen verzögert, dass immer ein erster Laserpuls und ein zweiter Laserpuls überlagert als Beleuchtungslinie in der Form eines Pulses mit einem ersten und zweiten Maximum auf dem Halbleitermaterial abgebildet werden. Oder anders ausgedrückt, das Halbleitermate¬ rial wird gepulst mit einer Beleuchtungslinie belichtet, mit der Pulswiederholrate des oder der Laser. According to a further aspect, the first laser pulse can be a laser pulse of a plurality of first laser pulses of the first laser beam and the second laser pulse can be a laser pulse of a plurality of second laser pulses of the second laser beam, and each of the plurality of laser pulses of the second pulsed laser beam is temporal is delayed with respect to another of the plurality of laser pulses of the first pulsed laser beam by the predetermined time interval At. The laser or lasers are therefore operated in a pulsed manner and emit a large number of laser pulses with a specific pulse repetition rate, for example 10 kHz. The laser pulses of the second laser beam are delayed relative to the first laser pulses so that a first laser pulse and a second laser pulse are always superimposed as an illumination line in the form of a pulse with a first and second maximum on the semiconductor material. In other words, the semiconductor mate rial ¬ is pulsed at a line of illumination exposed, with the pulse repetition rate of the laser or.
Die Vorschubgeschwindigkeit, die Pulswiederholrate des ersten Laserstrahls und des zweiten Laserstrahls und die geometrische Halbwertsbreite der Beleuchtungslinie in Richtung der kurzen Achse kann dabei so gewählt werden, dass eine Stelle des Halb¬ leitermaterials mehrmals von einer Beleuchtungslinie belichtet wird. Oder anders ausgedrückt: Das Halbleitermaterial bewegt sich relativ zu der Beleuchtungslinie so langsam, und die geometrische Halbwertsbreite der Beleuchtungslinie in Richtung der kurzen Achse ist so groß, dass nach einer Zeitdauer, die der Pulswiederholrate des Laserstrahls bzw. einem Vielfachen der Pulswiederholrate entspricht, das Halbleitermaterial sich um so eine kleine Strecke bewegt hat, dass eine davor belichtete Stelle nochmal bzw. vielfach belichtet wird. Gemäß einem noch weiteren Aspekt des offenbarten Verfahrens werden ein dritter Laserstrahl mit einem dritten Laserpuls und ein vierter Laserstrahls mit einem vierten Laserpuls bereitgestellt, der erste Laserpuls, der zweite Laserpuls, der dritte Laser- puls und der vierte Laserpuls, anhand einer Strahlformungseinrichtung, in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform umgeformt, und der so geformte Laserpuls in Linienform, anhand der Abbildungseinrichtung, als die Beleuchtungslinie auf einer Bildebene der Halbleitermaterialschicht abgebildet Ferner wird eine Polarisationsrichtung des dritten Laserpulses in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie eingestellt, eine Polarisationsrichtung des vierten Laserpulses in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie eingestellt, und der vierte Laserpuls bezüglich des dritten Laserpulses um ein vorbestimmtes Zeitintervall At zeitlich verzögert, wobei das vorbestimmte Zeitintervall At so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht abgebildete Beleuchtungslinie einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf in der Form eines Pulses mit einem ersten und einem zweiten Maximum aufweist. The feed speed, the pulse repetition rate of the first laser beam and the second laser beam and the geometrical half-value width of the illumination line in the short axis direction can be chosen so that a point of the half ¬ is conductor material repeatedly exposed by a line of illumination. In other words: the semiconductor material moves so slowly relative to the lighting line, and the geometric half-width of the lighting line in the direction of the short axis is so large that after a period of time that corresponds to the pulse repetition rate of the laser beam or a multiple of the pulse repetition rate, the semiconductor material has moved such a small distance that a previously exposed point is exposed again or multiple times. According to yet another aspect of the disclosed method, a third laser beam with a third laser pulse and a fourth laser beam with a fourth laser pulse are provided, the first laser pulse, the second laser pulse, the third laser pulse pulse and the fourth laser pulse, using a beam shaping device, is converted into a laser pulse with a short axis and a long axis in line form, and the laser pulse thus formed in line form, using the imaging device, as the illumination line on an image plane of the semiconductor material layer of the third laser pulse is set in the direction of the short axis of the illumination line, a polarization direction of the fourth laser pulse is set in the direction of the long axis of the illumination line, and the fourth laser pulse is delayed with respect to the third laser pulse by a predetermined time interval At, the predetermined time interval At being selected in this way that the illumination line imaged on the semiconductor material layer has a combined intensity profile over time in the form of a pulse with a first and a second maximum.
Gemäß diesem Aspekt des Verfahrens werden also vier Laserstrahlen homogen über¬ lagert und abgebildet, wobei jeweils zwei Laserstrahlen der vier Laserstrahlen jeweils einen in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie linear-polarisierten Puls aufweisen und zeitlich synchronisiert sind, und die anderen zwei der vier Laserstrahlen jeweils einen in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie linear- polarisierten Puls aufweisen, die zeitlich verzögert bezüglich der Pulse der ersten zwei Laserstrahlen sind. According to this aspect of the method, four laser beams are homogeneously superimposed and imaged, two laser beams of the four laser beams each having a pulse linearly polarized in the direction of the short axis of the illumination line and being synchronized in time, and the other two of the four laser beams each have a pulse linearly polarized in the direction of the long axis of the illumination line, which is delayed in time with respect to the pulses of the first two laser beams.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung wird ein optisches System zur Bear¬ beitung einer Halbleitermaterialschicht, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, bereitgestellt, welches umfasst: According to another aspect of the disclosure, an optical system for processing Bear ¬ is a layer of semiconductor material, in particular for producing a crystalline semiconductor layer is provided, which comprises:
eine Strahlformungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen ersten Laserpuls eines ersten Laserstrahls und einen zweiten Laserpuls eines zweiten Laser¬ strahls in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform umzuformen, reshape a beam shaping device which is adapted to a first laser pulse of a first laser beam and a second laser pulse of a second laser beam in a ¬ a short axis and a long axis having laser pulse in line shape,
eine Abbildungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den so geformten Laserpuls in Linienform als eine Beleuchtungslinie auf der Halbleitermaterialschicht abzubilden, an imaging device which is set up to image the laser pulse formed in this way in line form as an illumination line on the semiconductor material layer,
eine Polarisationseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Polarisati¬ onsrichtung des ersten Laserpulses in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungsli¬ nie auszurichten und eine Polarisationsrichtung des zweiten Laserpulses in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie auszurichten, sowie a polarization means which is adapted to receive a polarization-¬ onsrichtung of the first laser pulse in the direction of the short axis of the Beleuchtungsli ¬ never align and aligning a polarization direction of the second laser pulse in the direction of the long axis of the illumination line, and
eine Verzögerungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den zweiten Laserpuls bezüglich des ersten Laserpulses um ein vorbestimmtes Zeitintervall At zu verzögern, das so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht abgebildete Beleuchtungslinie einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf in der Form eines Pulses mit einem ersten und einem zweiten Maximum aufweist. Die Polarisationseinrichtung ist also so ausgebildet und angeordnet, dass der erste Laserpuls fast ausschließlich Polarisationsanteile in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie enthält (das Polarisationsverhältnis beträgt beispielsweise 1: 100), und der zweite Laserpuls fast ausschließlich Polarisationsanteile in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie enthält (das Polarisationsverhältnis beträgt bei- spielsweise 1 : 100). Dabei kann die Polarisationseinrichtung eine erste a delay device which is set up to add the second laser pulse with respect to the first laser pulse by a predetermined time interval At delay, which is selected such that the illumination line imaged on the semiconductor material layer has a combined intensity profile over time in the form of a pulse with a first and a second maximum. The polarization device is designed and arranged in such a way that the first laser pulse almost exclusively contains polarization components in the direction of the short axis of the illumination line (the polarization ratio is, for example, 1: 100), and the second laser pulse almost exclusively contains polarization components in the direction of the long axis of the illumination line ( the polarization ratio is, for example, 1: 100). The polarization device can have a first
Polarisationseinrichtung für den ersten Laserstrahl mit dem ersten Laserpuls aufweisen, und eine zweite Polarisationseinrichtung für den zweiten Laserstrahl mit dem zweiten Laserpuls. Die erste Polarisationseinrichtung ist dann insbesondere im Strahlengang des ersten Laserstrahls angeordnet und die zweite Polarisationseinrichtung ist insbesondere im Strahlengang des zweiten Laserstrahls angeordnet. Have polarization device for the first laser beam with the first laser pulse, and a second polarization device for the second laser beam with the second laser pulse. The first polarization device is then arranged in particular in the beam path of the first laser beam and the second polarization device is in particular arranged in the beam path of the second laser beam.
Die Strahlformungseinrichtung kann eine anamorphotische Optik bilden. Sie kann beispielsweise einen Linsenarray-Homogenisierer aufweisen, die auf dem Prinzip basieren, dass der oder die einfallenden Laserstrahlen in viele Teilstrahlen zerlegt werden, die anschließend räumlich überlagert werden. Die Laserlinie hat eine kurze Achse und eine lange Achse. The beam shaping device can form anamorphic optics. For example, it can have a lens array homogenizer which is based on the principle that the incident laser beam or beams are split up into many partial beams, which are then spatially superimposed. The laser line has a short axis and a long axis.
Die so gebildete Laserlinie wird mittels einer Abbildungseinrichtung als eine Beleuch¬ tungslinie auf einer Bildebene des Halbleitermaterials abgebildet. Die Beleuchtungsli- nie hat ebenfalls eine kurze Achse und eine lange Achse, deren Richtung die The laser line thus formed is imaged by an imaging device as a BL LEVEL ¬ processing line on an image plane of the semiconductor material. The lighting line also has a short axis and a long axis, the direction of which is the
Polarisation des ersten und zweiten Pulses vorgeben. Typischerweise fallen die Rich¬ tungen der kurzen Achse und der langen Achse der Beleuchtungslinie mit der Richtung der kurzen Achse und der langen Achse des Laserpulses in Linienform Specify the polarization of the first and second pulse. Typically fall Rich ¬ obligations of the short axis and the long axis of the illumination line with the direction of the short axis and the long axis of the laser pulse in a line form
zusammen. together.
Die Polarisationseinrichtung des optischen Systems kann insbesondere eine erste K/2 Platte umfassen, die im Strahlengang des ersten Laserstrahls, insbesondere vor der Strahlumformungseinrichtung, angeordnet ist, und so bezüglich des auf die K/2 Platte auftreffenden ersten Laserpulses orientiert ist, dass der erste Laserpuls nach dem Durchlaufen der l/2 Platte in Richtung der kurzen Achse linear-polarisiert ist, und eine zweite K/2 Platte umfassen, die im Strahlengang des zweiten Laserstrahls, insbesondere vor der Strahlumformungseinrichtung, angeordnet ist, und so bezüglich des auf die l/2 Platte auftreffenden ersten Laserpulses orientiert ist, dass der zweite Laserpuls nach dem Durchlaufen der l/2 Platte in Richtung der langen Achse linearpolarisiert ist. Die erste l/2 Platte ist also so orientiert, dass sie die Polarisationsrichtung des linearpolarisierten ersten Laserstrahls mit dem ersten Laserpuls in Richtung der kurzen Achse dreht. Die zweite l/2 Platte ist so orientiert, dass sie die Polarisationsrichtung des linear-polarisierten zweiten Laserstrahls mit dem zweiten Laserpuls in Richtung der langen Achse dreht. The polarization device of the optical system can in particular comprise a first K / 2 plate, which is arranged in the beam path of the first laser beam, in particular in front of the beam shaping device, and is oriented with respect to the first laser pulse impinging on the K / 2 plate that the first laser pulse is linearly polarized after passing through the l / 2 plate in the direction of the short axis, and comprise a second K / 2 plate, which is arranged in the beam path of the second laser beam, in particular in front of the beam shaping device, and so with respect to of the first laser pulse striking the 1/2 plate is oriented so that the second laser pulse is linearly polarized in the direction of the long axis after passing through the 1/2 plate. The first 1/2 plate is thus oriented in such a way that it rotates the polarization direction of the linearly polarized first laser beam with the first laser pulse in the direction of the short axis. The second 1/2 plate is oriented in such a way that it rotates the polarization direction of the linearly polarized second laser beam with the second laser pulse in the direction of the long axis.
Gemäß einer Variante kann die Verzögerungseinrichtung eine Verzögerungsschaltung umfassen, die ein Triggersignal eines zweiten Lasers, der dazu eingerichtet ist, den zweiten Laserstrahl mit dem zweiten Laserpuls zu emittieren, um das Zeitintervall At bezüglich eines Triggersignals eines ersten Lasers zu verzögern, wobei der erste Laser dazu eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl mit dem ersten Laserpuls zu emittieren. Das zweite Triggersignal kann also elektronisch bezüglich des ersten Trigger¬ signals verzögert werden. According to one variant, the delay device can comprise a delay circuit that generates a trigger signal from a second laser which is configured to emit the second laser beam with the second laser pulse in order to delay the time interval At with respect to a trigger signal from a first laser, the first laser for this purpose is set up to emit the first laser beam with the first laser pulse. The second trigger signal may thus of the first trigger signal ¬ be delayed with respect to electronically.
Gemäß einer alternativen Variante kann die Verzögerungseinrichtung einen Strahl- umweg umfassen, der bewirkt, dass die optische Weglänge des zweiten Laserstrahls bis zu einer Bildebene der Halbleitermaterialschicht größer ist als die optische Weg¬ länge des ersten Laserstrahls bis zu der Bildebene der Halbleitermaterialschicht. Gemäß dieser Variante wird also die zeitliche Verzögerung durch einen Gangunter¬ schied verursacht, indem der zweite Laserpuls eine größere optische Weglänge bis zur Überlagerung durchlaufen hat als der erste Puls. According to an alternative variant, the delay means may comprise a beam detour, which causes the optical path length of the second laser beam to an image plane of the semiconductor material layer is greater than the optical path ¬ length of the first laser beam to the image plane of the semiconductor material layer. According to this variant, therefore, the time delay is caused by a different path ¬ by the second laser pulse has undergone a larger optical path length up to the overlay as the first pulse.
Der erste und zweite Laserstrahl des optischen Systems kann durch eine erste und zweite Laserquelle bereitgestellt werden oder, alternativ, durch eine Laserquelle, deren emittierter Laserstrahl anhand eines Strahlteilers in den ersten Laserstrahl und den zweiten Laserstrahl aufgeteilt wird. The first and second laser beams of the optical system can be provided by a first and second laser source or, alternatively, by a laser source, the emitted laser beam of which is split into the first laser beam and the second laser beam by means of a beam splitter.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Strahlformungseinrichtung dazu eingerichtet sein, den ersten Laserpuls des ersten Laserstrahls, den zweiten Laserpuls des zwei¬ ten Laserstrahls, einen dritten Laserpuls eines dritten Laserstrahl und einen vierten Laserpuls eines vierten Laserstrahls in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform umzuformen, die Abbildungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, den so geformten Laserpuls in Linienform als eine Beleuch- tungslinie auf der Halbleitermaterialschicht abzubilden, die Polarisationseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, den dritten Laserpuls in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie zu linear-polarisieren und den vierten Laserpuls in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie zu linear-polarisieren, und die Verzögerungsein- richtung kann dazu eingerichtet sein, den vierten Laserpuls bezüglich des dritten Laserpulses um ein vorbestimmtes Zeitintervall At zu verzögern, das so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht abgebildete Beleuchtungslinie einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf in der Form eines Pulses mit einem ersten und einem zweiten Maximum aufweist. According to a further aspect, the beam shaping means may be adapted to control the first laser pulse of the first laser beam, the second laser pulse of the two ¬ th laser beam, a third laser pulse of a third laser beam and a fourth laser pulse having a fourth laser beam into a short axis and a long axis To transform the laser pulse into line form, the imaging device can be set up to transform the laser pulse formed in this way into line form as a lighting The polarization device can be configured to linearly polarize the third laser pulse in the direction of the short axis of the illumination line and linearly polarize the fourth laser pulse in the direction of the long axis of the illumination line, and the delay device can do this be set up to delay the fourth laser pulse with respect to the third laser pulse by a predetermined time interval At, which is selected so that the illumination line imaged on the semiconductor material layer has a combined intensity profile over time in the form of a pulse with a first and a second maximum.
Gemäß diesem Aspekt umfasst das optische System also eine Vierstrahl-Anordnung, bei der vier Laserstrahlen homogen überlagert und als Beleuchtungslinie auf der Halbleitermaterialschicht abgebildet werden, wobei die Polarisationseinrichtung so angeordnet und eingerichtet ist, dass jeweils zwei Laserstrahlen der vier Laserstrah¬ len jeweils einen in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie linear¬ polarisierten Puls aufweisen und zeitlich synchronisiert sind, und die anderen zwei der vier Laserstrahlen jeweils einen in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie linear-polarisierten Puls aufweisen, die zeitlich verzögert bezüglich der Pulse der ersten zwei Laserstrahlen sind. According to this aspect, the optical system thus includes a four jet assembly, are superimposed homogeneous at the four laser beams and imaged as a line of illumination on the semiconductor material layer, wherein the polarizing means is arranged and configured such that two laser beams of the four Laserstrah ¬ len each in the direction having the short axis of the illumination line linear ¬ polarized pulse and are synchronized in time, and the other two of the four laser beams each of the illumination line are linearly polarized pulse a in the long axis direction, the time-delayed relative to the pulses of the first two laser beams.
Die vorliegende Offenbarung umfasst ferner eine Anlage zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, die das optische System gemäß einem oben beschriebenen Aspekt umfasst, und die dazu ausgebildet ist, die Halbleitermaterialschicht relativ zu der Beleuchtungslinie in einer Vorschubrichtung zu bewegen, wobei die Vorschubrichtung der Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie entspricht. Die Halbleitermaterialschicht kann beispielsweise mittels einer Vorschubeinrichtung wie eines in der Vorschubrichtung beweglichen Tisches, auf dem der Träger mit der Halbleitermaterialschicht angeord¬ net ist, relativ zu der Belichtungslinie bewegt werden, so dass große Bereiche bis zu der gesamten Halbleiterschicht von der Beleuchtungslinie belichtet und damit bearbeitet werden können. Die Vorschubrichtung entspricht dabei der Richtung der kur¬ zen Achse, so dass die Orientierung der Polarisation des ersten Pulses und/oder dritten Pulses der Vorschubrichtung entspricht. Die Offenbarung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. In diesen zeigen: - Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Halbleitermaterialschicht, die mit einer bezüglich der Halbleitermaterialschicht in Vorschubrichtung bewegten Be¬ leuchtungslinie belichtet wird zur Bearbeitung der Halbleitermaterialschicht; The present disclosure further comprises a system for processing a semiconductor material layer, in particular for producing a crystalline semiconductor layer, which comprises the optical system according to an aspect described above and which is designed to move the semiconductor material layer relative to the illumination line in a feed direction, wherein the The direction of advance corresponds to the direction of the short axis of the illumination line. The semiconductor material layer may, for example, by means of a feed device such as a mobile in the direction of feed table on which the carrier with the semiconductor material layer angeord ¬ net, are moved relative to the exposure line so that large areas of up to the entire semiconductor layer exposed by the illumination line and processed so that can be. The feed direction corresponds to the direction of the health ¬ zen axis so that the orientation of the polarization of the first pulse and / or third pulse corresponds to the advancing direction. The disclosure is further explained below with reference to the accompanying drawings. In these show: - Figure 1 is a schematic view of a semiconductor material layer having a relative to the semiconductor material layer moving in the feed direction Be ¬ leuchtungslinie is exposed to the processing of the semiconductor material layer;.
- Fig. 2a bis 2c die Liniengeometrie der abgebildeten Beleuchtungslinie; 2a to 2c show the line geometry of the illustrated illumination line;
- Fig. 3a und 3b eine schematische Ansicht eines optischen Systems für eine Anlage zur Bearbeitung von Halbleiterschichten, mittels dem eine Beleuchtungslinie geformt und auf einem Halbleitermaterial abgebildet werden kann; 3a and 3b show a schematic view of an optical system for a system for processing semiconductor layers, by means of which an illumination line can be formed and imaged on a semiconductor material;
- Fig. 4 in schematischer Ansicht eine Ausführungsform des optischen Systems, bei der der erste und zweite Laserstrahl durch Strahlteilung eines Laserstrahls bereitgestellt wird; 4 shows a schematic view of an embodiment of the optical system in which the first and second laser beams are provided by beam splitting of a laser beam;
- Fig. 5 in schematischer Ansicht eine Ausführungsform, bei der vier Laserstrahlen durch vier Laserquellen bereitgestellt werden, wobei die Pulse von zwei Laserstrahlen jeweils zeitlich verzögert zu den Pulsen der anderen zwei Laserstrahlen emittiert werden; 5 shows a schematic view of an embodiment in which four laser beams are provided by four laser sources, the pulses of two laser beams each being emitted with a time delay to the pulses of the other two laser beams;
- Fig. 6 in schematischer Ansicht eine Ausführungsform, bei der zwei Laserstrahlen durch zwei Laserquellen bereitgestellt werden, wobei die Pulse eines Laserstrahls zeitlich verzögert bezüglich der Pulse des anderen Laserstrahls sind; 6 shows a schematic view of an embodiment in which two laser beams are provided by two laser sources, the pulses of one laser beam being delayed in time with respect to the pulses of the other laser beam;
- Fig. 7 schematisch einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf der Beleuchtungslinie, der sich durch homogene Überlagerung der Einzelpulse ergibt; FIG. 7 schematically shows a combined intensity profile of the illumination line over time, which results from homogeneous superimposition of the individual pulses;
- Fig. 8a eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer kristallinen Siliziumschicht, die gemäß dem offenbarten Verfahren erzeugt wurde; und 8a shows a scanning electron microscope image of a crystalline silicon layer which was produced in accordance with the disclosed method; and
- Fig. 8b eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer kristallinen Siliziumschicht, die gemäß einem Vergleichsverfahren bearbeitet wurde. 8b shows a scanning electron microscope image of a crystalline silicon layer which has been processed according to a comparative method.
In der Figur 1 ist schematisch gezeigt, wie gemäß dem offenbarten Verfahren ein Halbleitermaterial mit einem Laserstrahl zur Erzeugung homogen kristallisierter Schichten bestrahlt wird. Ein Träger 10, beispielsweise ein Glassubstrat, ist mit einer Schicht 12 aus dem zu bearbeitenden Halbleitermaterial beschichtet. In dem hier vorliegenden Beispiel ist das zu bearbeitende Halbleitermaterial amorphes Silizium. Die Dicke der Halbleitermaterialschicht 12 beträgt typischerweise in etwa 50 nm. FIG. 1 shows schematically how, according to the disclosed method, a semiconductor material is irradiated with a laser beam to produce homogeneously crystallized layers. A carrier 10, for example a glass substrate, is coated with a layer 12 of the semiconductor material to be processed. In this one In the present example, the semiconductor material to be processed is amorphous silicon. The thickness of the semiconductor material layer 12 is typically around 50 nm.
Ein Laserstrahl 14 in Linienform wird auf das Halbleitermaterial abgebildet und relativ zu diesem in einer Vorschubrichtung X bewegt, so dass die Laserlinie 14 mindestens einen Teilbereich der Halbleitermaterialschicht 12 überstreicht und dabei beleuchtet. Im hier gezeigten Beispiel wird der Träger 10 mit der Halbleitermaterialschicht 12 im Raum und damit relativ zu dem Laserstrahl 14, der ortsfest ist, verschoben. Die Laserlinie 14 kann relativ zu der Halbleitermaterialschicht 12 so bewegt werden, dass die gesamte Halbleitermaterialschicht 12 von der Laserlinie 14 bestrahlt wird. Typischerweise wird die Laserlinie 14 so relativ zu der Halbleitermaterialschicht 12 bewegt, dass ein bestimmter Bereich mehrmals von einer Laserlinie 14 bestrahlt wird. Typische Vorschubgeschwindigkeiten liegen im Bereich zwischen 5 mm/s und 50 mm/s. A laser beam 14 in the form of a line is imaged on the semiconductor material and moved relative to it in a feed direction X so that the laser line 14 sweeps over at least a partial area of the semiconductor material layer 12 and is illuminated in the process. In the example shown here, the carrier 10 with the semiconductor material layer 12 is displaced in space and thus relative to the laser beam 14, which is stationary. The laser line 14 can be moved relative to the semiconductor material layer 12 in such a way that the entire semiconductor material layer 12 is irradiated by the laser line 14. The laser line 14 is typically moved relative to the semiconductor material layer 12 in such a way that a specific area is irradiated several times by a laser line 14. Typical feed speeds are in the range between 5 mm / s and 50 mm / s.
Die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 14 ist im hier gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Oberfläche der Halbleitermaterialschicht 12, d.h. der Laserstrahl 14 trifft hier senkrecht auf die Oberfläche der Halbleitermaterialschicht 12 auf, mit einem Einfallwinkel von 0°. In the exemplary embodiment shown here, the direction of propagation of the laser beam 14 is perpendicular to the surface of the semiconductor material layer 12, i.e. the laser beam 14 here hits the surface of the semiconductor material layer 12 perpendicularly, with an angle of incidence of 0 °.
Die Liniengeometrie des Laserstrahls 14 ist in den Figuren 2a bis 2c dargestellt. In den Figuren 2a bis 2c ist jeweils die Intensität in Abhängigkeit von einer bestimmten Richtung dargestellt. Dabei zeigt die Figur 2a die Intensität der Laserlinie in Richtung der langen Achse, und zwar eine entlang der kurzen Achse (entlang der x-Achse) integrierte Intensitätsverteilung 16, wobei die so integrierte Intensitätsverteilung 16 entlang der langen Achse (entlang der y-Achse) dargestellt ist. Per Konvention sollen in den Figuren die kurze Achse parallel zur x-Achse und die lange Achse parallel zur y-Achse verlaufen. Wie in dieser Figur zu sehen ist, ist die Verteilung 16 annähernd rechteckförmig, also entlang der langen Achse idealerweise homogen ausgebildet. Die Länge der Beleuchtungslinie in y-Richtung kann typischerweise zwischen 100 mm und 1000 mm sein, beispielsweise 100 mm, 250 mm, 750 mm oder 1000 mm, oder mehr als 1000 mm. In den Figuren 2b und 2c ist jeweils die Intensität der Laserlinie in Richtung der kurzen Achse gezeigt, und zwar eine entlang der langen Achse (also entlang der y- Achse) integrierte Intensitätsverteilung 18, 20, wobei die so integrierte Intensitäts- Verteilung entlang der kurzen Achse (also entlang der x-Achse) dargestellt ist. Dabei weist die Intensität in der Figur 2b einen gaußförmigen Verlauf 18 auf. Alternativ dazu kann die Intensität, wie in Figur 2c dargestellt, einen flachen Verlauf 20 („flat- top"), also einen annähernd rechteckförmigen Verlauf haben. The line geometry of the laser beam 14 is shown in FIGS. 2a to 2c. In FIGS. 2a to 2c, the intensity is shown as a function of a specific direction. 2a shows the intensity of the laser line in the direction of the long axis, namely an intensity distribution 16 integrated along the short axis (along the x-axis), the intensity distribution 16 thus integrated along the long axis (along the y-axis) is shown. By convention, the short axis should run parallel to the x-axis and the long axis parallel to the y-axis in the figures. As can be seen in this figure, the distribution 16 is approximately rectangular, that is to say ideally formed homogeneously along the long axis. The length of the illumination line in the y direction can typically be between 100 mm and 1000 mm, for example 100 mm, 250 mm, 750 mm or 1000 mm, or more than 1000 mm. In FIGS. 2b and 2c, the intensity of the laser line is shown in the direction of the short axis, namely an intensity distribution 18, 20 integrated along the long axis (i.e. along the y-axis), the intensity distribution thus integrated Distribution along the short axis (i.e. along the x-axis) is shown. The intensity in FIG. 2b has a Gaussian profile 18. As an alternative to this, the intensity, as shown in FIG. 2c, can have a flat profile 20 (“flat-top”), that is to say an approximately rectangular profile.
Typische Breiten für die Intensität in x-Richtung betragen zwischen 20 pm und 200 pm. Bei dem gaußförmigen Verlauf 18 der Figur 2b wird die Breite dabei als eine Halbwertsbreite (englisch: Füll Width at Half Maximum, FWHM) angegeben, bei dem abgefiachten Verlauf 20 der Figur 2c als die Breite, die die Kurve bei einer Intensität hat, die 90% der Maximalintensität entspricht (FW 90%: Full Width at 90 %). Typical widths for the intensity in the x direction are between 20 pm and 200 pm. In the case of the Gaussian curve 18 in FIG. 2b, the width is specified as a full width at half maximum, FWHM, in the case of the flattened curve 20 in FIG. 2c as the width that the curve has at an intensity equal to 90 % of the maximum intensity (FW 90%: Full Width at 90%).
Wird die Beleuchtungslinie 14 über die zu bearbeitende Halbleitermaterialschicht 12 wie a-Si geführt, bewirkt dies, dass die Halbleitermaterialschicht 12 kurzzeitig aufschmilzt und sich als kristalline Schicht mit verbesserten elektrischen Eigenschaften verfestigt. If the lighting line 14 is guided over the semiconductor material layer 12 to be processed, such as a-Si, this causes the semiconductor material layer 12 to briefly melt and solidify as a crystalline layer with improved electrical properties.
In den Figuren 3a und 3b ist schematisch ein optisches System 30 für eine Anlage zur Bearbeitung von Halbleiterschichten dargestellt, mittels dem eine Beleuchtungslinie 14, wie bezüglich der Figuren 1 und 2 beschrieben wurde, geformt und auf einem Halbleitermaterial abgebildet werden kann. FIGS. 3a and 3b show schematically an optical system 30 for a system for processing semiconductor layers, by means of which an illumination line 14, as described with reference to FIGS. 1 and 2, can be formed and mapped onto a semiconductor material.
Das optische System 30 umfasst, wie später näher beschrieben wird, eine Strahlformungseinrichtung 32, die dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl derart zu formen, dass ein Strahlprofil des Laserstrahls eine lange Achse und eine kurze Achse aufweist, sowie eine im Strahlengang des Laserstrahls der Strahlformungseinrichtung 32 nachgeordnete Abbildungseinrichtung 34, die dazu eingerichtet ist, den so geformten Laserstrahl als eine Beleuchtungslinie 36 abzubilden. Im hier gezeigten Beispiel ist gezeigt, dass vier Laserstrahlen auf die Strahlformungseinrichtung 32 treffen, und zwar der erste Laserstrahl 38, der zweite Laserstrahl 40, der dritte Laserstrahl 42 und der vierte Laserstrahl 44. Gemäß der vorliegenden Offenbarung können aber auch zwei Laserstrahlen auf die Strahlformungseinrichtung 32 treffen, wie später anhand eines Beispiels erläutert wird. Prinzipiell ist dabei die Anzahl der Laserstrahlen weder auf vier noch auf zwei beschränkt, sondern es ist jede andere Anzahl möglich und von der Offenbarung umfasst. As will be described in more detail later, the optical system 30 comprises a beam shaping device 32 which is set up to shape a laser beam in such a way that a beam profile of the laser beam has a long axis and a short axis, as well as one in the beam path of the laser beam of the beam shaping device 32 downstream imaging device 34 which is set up to image the laser beam shaped in this way as an illumination line 36. In the example shown here, it is shown that four laser beams strike the beam shaping device 32, namely the first laser beam 38, the second laser beam 40, the third laser beam 42 and the fourth laser beam 44. However, according to the present disclosure, two laser beams can also hit the beam shaping device 32 meet, as will be explained later using an example. In principle, the number of laser beams is neither limited to four nor to two, but any other number is possible and covered by the disclosure.
In hier gezeigten Beispiel ist die Laserstrahlung die von mehreren UV-Festkörper- lasern emittierte Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 343 nm. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, dass andere Laserquellen, insbesondere andere Festkörperlaserquellen verwendet werden, beispielsweise Festkörperlaser, die im grünen Spektralbereich emittieren. Dabei ist in den Figuren 3a und 3b, wie schon in den Figuren 1 und 2, die kurze Achse parallel zur x-Achse dargestellt und die lange Achse parallel zur y-Achse dargestellt. Die optische Achse des optischen Systems verläuft parallel zur z-Achse. In the example shown here, the laser radiation is the laser radiation emitted by several UV solid-state lasers with a wavelength of 343 nm. In principle, it is however, it is also possible to use other laser sources, in particular other solid-state laser sources, for example solid-state lasers which emit in the green spectral range. In FIGS. 3a and 3b, as in FIGS. 1 and 2, the short axis is shown parallel to the x-axis and the long axis is shown parallel to the y-axis. The optical axis of the optical system runs parallel to the z-axis.
Die Figur 3a zeigt die Abbildungscharakteristik des optischen Systems 30 in der y- Richtung, also entlang der langen Achse des umgeformten Laserstrahls und derFIG. 3a shows the imaging characteristics of the optical system 30 in the y direction, that is, along the long axis of the reshaped laser beam and the
Beleuchtungslinie, und die Figur 3b zeigt die Abbildungscharakteristik des optischen Systems 30 in der x-Richtung, also entlang der kurzen Achse des umgeformten Laserstrahls und der Beleuchtungslinie. Die Strahlformungseinrichtung 32 des optischen Systems 30 der Figuren 3a und 3b weist eine anamorphotische Homogenisierungsoptik 46 auf, die die Intensität der einfallenden Laserstrahlen in Richtung der y-Achse homogenisiert. Die anamorphotische Homogenisierungsoptik 46 umfasst beispielsweise zwei parallel zueinander angeordnete Zylinderlinsenarrays. Die Zylinderlinsenarrays teilen die einfallende Strahlung in einzelne Teilbündel auf und überlagern diese ganzflächig, so dass die Laserstrahlung weitgehend homogenisiert wird. Bei mehreren einfallenden Laserstrahlen wird jeder Laserstrahl in einzelne Teilbündel aufgeteilt und homogenisiert überlagert. Eine derartige Homogenisierungsoptik wird beispielsweise in dem hier in der Offenbarung eingeschlossenen Stand der Technik gemäß DE 42 20 705 Al, DE 38 29 728 Al oder DE 102 25 674 Al näher beschrieben. Illumination line, and FIG. 3b shows the imaging characteristics of the optical system 30 in the x direction, that is to say along the short axis of the reshaped laser beam and the illumination line. The beam shaping device 32 of the optical system 30 of FIGS. 3a and 3b has anamorphic homogenization optics 46 which homogenize the intensity of the incident laser beams in the direction of the y-axis. The anamorphic homogenization optics 46 comprise, for example, two cylindrical lens arrays arranged parallel to one another. The cylindrical lens arrays divide the incident radiation into individual partial bundles and superimpose them over the entire surface so that the laser radiation is largely homogenized. In the case of several incident laser beams, each laser beam is divided into individual sub-bundles and superimposed in a homogenized manner. Such homogenization optics are described in more detail, for example, in the prior art according to DE 42 20 705 A1, DE 38 29 728 A1 or DE 102 25 674 A1, which is included here in the disclosure.
Die Strahlformungseinrichtung 32 des optischen Systems 30 weist ferner im Strahlengang hinter der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 46 eine Kondensorzylinderlinse 48 auf, welche dazu eingerichtet ist, die anhand der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 46 umverteilten und homogenisierten Laserstrahlen telezent- risch auf die Beleuchtungslinie 36 zu lenken und bezüglich der langen Achse, also in y-Richtung, dort zu überlagern. Die Kombination aus der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 46 und der Kondensorzylinderlinse 48 bewirkt also, dass die einfallende Laserstrahlung auf der Bildebene als Beleuchtungslinie 36 homogenisiert abgebildet wird. Im Strahlengang hinter der Kondensorzylinderlinse 48 ist die Abbildungseinrichtung 34 angeordnet, die dazu eingerichtet ist, die Laserstrahlen bezüglich der kurzen Achse, also in x-Richtung, auf die Beleuchtungslinie 36 zu fokussieren. Oder anders ausgedrückt: Die Abbildungseinrichtung 34 bildet die Laserstrahlen als die Beleuchtungslinie 36 ab, wobei ausschließlich die kurze Achse des Strahlprofils, nicht jedoch die homogenisierte lange Achse des Strahlprofils homogenisiert wird. Die Abbil¬ dungseinrichtung 34 kann beispielsweise eine Fokussierzylinderlinsenoptik sein. The beam shaping device 32 of the optical system 30 also has a condenser cylinder lens 48 in the beam path behind the anamorphic homogenization optics 46, which is set up to telecentrically direct the laser beams redistributed and homogenized using the anamorphic homogenization optics 46 onto the illumination line 36 and with respect to the long axis , i.e. in the y-direction, to be superimposed there. The combination of the anamorphic homogenization optics 46 and the condenser cylinder lens 48 thus has the effect that the incident laser radiation is imaged in a homogenized manner on the image plane as an illumination line 36. In the beam path behind the condenser cylinder lens 48, the imaging device 34 is arranged, which is set up to focus the laser beams on the illumination line 36 with respect to the short axis, that is to say in the x direction. In other words: the imaging device 34 images the laser beams as the illumination line 36, with only the short axis of the beam profile being homogenized, but not the homogenized long axis of the beam profile. The Abbil ¬-making device 34 may for example be a Fokussierzylinderlinsenoptik be.
Die Kombination aus der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 46 und der Kondensorzylinderlinse 48 können eine anamorphotische Optik sein oder Teil einer solchen Optik sein. Sie können insbesondere Teil einer anamorphotischen Optik sein, wie sie in den Figuren 4 bis 6 des in die vorliegende Offenbarung eingeschlossenen Dokuments DE 10 2012 007 601 Al bezüglich der anamorphotischen Optik 42 beschrieben ist. The combination of the anamorphic homogenization optics 46 and the condenser cylinder lens 48 can be anamorphic optics or be part of such optics. In particular, they can be part of an anamorphic optics, as is described in FIGS. 4 to 6 of the document DE 10 2012 007 601 A1, which is included in the present disclosure, with regard to the anamorphic optics 42.
Demgemäß kann die Strahlformungseinrichtung 32 weiterhin eines oder mehrere der folgenden optischen Elemente umfassen: Accordingly, the beam shaping device 32 can furthermore comprise one or more of the following optical elements:
- eine erste Kollimationszylinderlinse, in der DE 10 2012 007 601 Al mit Bezugszeichen 54 versehen, zur Kollimation von bezüglich der x-Achse emittierten Laserstrahlen, - a first collimation cylinder lens, provided with reference number 54 in DE 10 2012 007 601 A1, for collimation of laser beams emitted with respect to the x-axis,
- eine zweite Kollimationszylinderlinse, in der DE 10 2012 007 601 Al mit Bezugszeichen 56 versehen, zur Kollimation von bezüglich der y-Achse emittierten Laserstrahlen, - a second collimation cylinder lens, provided with reference numeral 56 in DE 10 2012 007 601 A1, for collimation of laser beams emitted with respect to the y-axis,
- eine im Strahlengang hinter der ersten Kollimationszylinderlinse angeordnete Zylinderlinse, in der DE 10 2012 007 601 Al mit Bezugszeichen 58 versehen, zur Fokussierung der Lichtstrahlen bezüglich der x-Achse auf ein Zwischenbild, in der DE 10 2012 007 601 Al mit Bezugszeichen 60 versehen, - a cylinder lens arranged in the beam path behind the first collimation cylinder lens, provided with reference number 58 in DE 10 2012 007 601 A1, for focusing the light beams with respect to the x-axis on an intermediate image, provided with reference number 60 in DE 10 2012 007 601 A1,
- eine im Strahlengang hinter der ersten Kollimationszylinderlinse 54 angeordnete Zwischenkollimationszylinderlinse, in der DE 10 2012 007 601 Al mit Bezugszeichen 58' versehen, zur Kollimation der Lichtstrahlen des ersten - An intermediate collimation cylinder lens arranged in the beam path behind the first collimation cylinder lens 54, provided with reference numeral 58 'in DE 10 2012 007 601 A1, for collimation of the light beams of the first
Zwischenbildes, und/oder Intermediate image, and / or
- eine im Strahlengang hinter dem ersten Zwischenbild, insbesondere hinter der Zwischenkollimationszylinderlinse angeordnete weitere Zylinderlinse, in der DE 10 2012 007 601 Al mit Bezugszeichen 62 versehen, zur Fokussierung der Lichtstrahlen bezüglich der x-Achse auf ein zweites Zwischenbild, in der DE 10 2012 007 601 Al mit Bezugszeichen 64 versehen. Die oben beschriebene anamorphotische Homogenisierungsoptik 46 kann beispielsweise die in den Figuren 4 bis 6 der DE 10 2012 007 601 Al gezeigte Komponente 68 darstellen oder umfassen. - A further cylinder lens arranged in the beam path behind the first intermediate image, in particular behind the intermediate collimation cylinder lens, provided with reference numeral 62 in DE 10 2012 007 601 A1, for focusing the light beams with respect to the x-axis on a second intermediate image, in DE 10 2012 007 601 A1 is provided with reference numeral 64. The anamorphic homogenization optics 46 described above can, for example, represent or include the component 68 shown in FIGS. 4 to 6 of DE 10 2012 007 601 A1.
Die oben beschriebene Kondensorzylinderlinse 48 kann beispielsweise die in den Figuren 4 bis 6 der DE 10 2012 007 601 Al gezeigte Kondensorzylinderlinse 74 darstellen oder umfassen. The condenser cylinder lens 48 described above can, for example, represent or include the condenser cylinder lens 74 shown in FIGS. 4 to 6 of DE 10 2012 007 601 A1.
Schließlich kann die oben beschriebene Abbildungseinrichtung 34 beispielsweise die in den Figuren 4 bis 6 der DE 10 2012 007 601 Al gezeigte Komponente 66 darstellen oder umfassen. Finally, the above-described imaging device 34 can, for example, represent or include the component 66 shown in FIGS. 4 to 6 of DE 10 2012 007 601 A1.
Das optische System weist ferner für jeden der auf die anamorphotische Optik einfal¬ lenden Laserstrahlen 38, 40, 42, 44 eine Polarisationseinrichtung 50 auf. Die Polari¬ sationseinrichtung ist hier eine Optik zur Einstellung der Polarisationsrichtung 50, beispielweise eine l/2 Platte im Strahlengang jedes der einfallenden Laserstrahlen 38, 40, 42, 44. Die Optik 50 ist im Strahlengang vor der anamorphotischen Optik bzw. der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 46 angeordnet. Jeder einfallende Laserstrahl durchläuft die Optik 50, so dass der die Optik 50 durchlaufene Laserstrahl 38, 40, 42, 44 in einer definierten Richtung linear polarisiert ist. Genauer gesagt, der vom Laser emittierte Laserstrahl ist schon linear polarisiert, wie beispielsweise im hier gezeigten Beispiel des UV-Festkörperlasers, und die Orientierung der Polarisation wird mittels der Optik 50 in eine definierte Richtung gedreht. Dabei ist die Optik 50, beispielsweise die l/2 Platten, so bezüglich der Polarisationsrichtung des einfallenden linear polarisierten Lichts orientiert, dass zwei der vier Laserstrahlen nach Durchlaufen der Optik 50 in Richtung der langen Achse linear polarisiert sind, und die restlichen zwei der vier Laserstrahlen nach Durchlaufen der Optik 50 in Richtung der kurzen Achse, linear polarisiert sind. Dabei entspricht die Vorschubrichtung der Richtung der kurzen Achse, so dass die restlichen zwei der vier Laserstrahlen in Vorschubrichtung linear-polarisiert sind. Genauer ausgeführt, gemäß der vorliegenden Offenbarung ist die im Strahlengang des ersten und des zweiten Laserstrahls 38, 40 angeordnete Optik 50, beispielweise die l/2 Platten, so orientiert, dass der erste und der zweite Laserstrahl 38, 40 jeweils in Richtung der kurzen Achse, also in x- Richtung, in Vorschubrichtung, polarisiert sind, und die im Strahlengang des dritten und des vierten Laserstrahls 42, 44 angeordnete Optik 50, beispielsweise die l/2 Platten, sind jeweils so orientiert, dass der dritte und der vierte Laserstrahl 42, 44 jeweils in Richtung der langen Achse, also in y-Richtung polarisiert sind. Im hier vorliegenden Beispiel werden die Laser ferner gepulst betrieben, so dass die einzelnen Pulse des jeweiligen Laserstrahls die oben beschriebene Polarisationsrichtung des jeweiligen Laserstrahls aufweisen. The optical system further includes a polarizing means 50 for each of the anamorphic optics einfal ¬ lumbar laser beams 38, 40, 42, 44th The Polari ¬ sationseinrichtung here is an optical system for adjusting the polarization direction of 50, for example, a l / 2 plate in the beam path of each of the incident laser beams 38, 40, 42, 44. The optics 50 is in the beam path in front of the anamorphic optical system or the anamorphic homogenizing 46 arranged. Each incident laser beam passes through the optics 50, so that the laser beam 38, 40, 42, 44 passing through the optics 50 is linearly polarized in a defined direction. More precisely, the laser beam emitted by the laser is already linearly polarized, for example in the example of the UV solid-state laser shown here, and the orientation of the polarization is rotated in a defined direction by means of the optics 50. The optics 50, for example the 1/2 plates, are oriented with respect to the polarization direction of the incident linearly polarized light so that two of the four laser beams are linearly polarized after passing through the optics 50 in the direction of the long axis, and the remaining two of the four laser beams after passing through the optics 50 in the direction of the short axis, are linearly polarized. The feed direction corresponds to the direction of the short axis, so that the remaining two of the four laser beams are linearly polarized in the feed direction. More precisely, according to the present disclosure, the optics 50 arranged in the beam path of the first and second laser beams 38, 40, for example the 1/2 plates, are oriented such that the first and second laser beams 38, 40 each in the direction of the short axis , i.e. in the x-direction, in the feed direction, are polarized, and the optics 50 arranged in the beam path of the third and fourth laser beams 42, 44, for example the 1/2 plates, are each oriented so that the third and fourth laser beam 42 , 44 are each polarized in the direction of the long axis, i.e. in the y-direction. In the present example, the lasers are also operated in a pulsed manner, so that the individual pulses of the respective laser beam have the polarization direction of the respective laser beam described above.
Die vier Laserstrahlen 38, 40, 42, 44 können die emittierte Laserstrahlung von vier Laserquellen sein, also jeder Laserstrahl ist einer separaten Laserquelle zugeordnet. The four laser beams 38, 40, 42, 44 can be the emitted laser radiation from four laser sources, ie each laser beam is assigned to a separate laser source.
Alternativ können die Laserstrahlen 38, 40, 42, 44 durch Strahlteilung eines von einer Laserquelle emittierten Laserstrahls mittels eines Strahlteilers in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl entstanden sein. Der Strahlteiler kann so ausgestaltet sein, dass er eine Teilung in den ersten Teilstrahl, den durchgelassenen Strahl, und in den zweiten Teilstrahl, den transmittierten Strahl, beispielsweise von je etwa 50% erzeugt. Dafür kann beispielsweise eine polarisierende Optik eingesetzt werden, beispielsweise ein sogenannter Dünnschicht-Polarisator. Dünnschicht- Polarisatoren sind optische Substrate mit einer speziellen Beschichtung, die Licht mit p-Polarisation (Schwingungsebene des elektrischen Vektors parallel zu der Ebene aus einfallendem Strahl und der Senkrechten auf der Substratoberfläche) hindurchtreten lässt und Licht mit s-Polarisation (Schwingungsebene des elektrischen Vektors senk¬ recht zu der Ebene aus einfallendem Strahl und der Senkrechten auf der Substratoberfläche) reflektiert. Mittels einer l/2 Platte im Strahlengang vor dem Dünnschicht- Polarisator kann die Polarisationsrichtung des von der Laserquelle emittierten Laserstrahls so gedreht werden, dass gleiche Anteile an p- und s-Polarisation im Laserstrahl vor dem Dünnschicht-Polarisator Vorkommen, um eine Aufteilung von in etwa 50% zu erzielen. Die l/2 Platte vor dem Dünnschicht-Polarisator kann jedoch auch so gedreht werden, dass unterschiedliche Anteile an p- uns s-Polarisation im Laserstrahl vor dem Dünnschicht-Polarisator Vorkommen, um eine Aufteilung verschieden von 50% zu erreichen. Prinzipiell kann mittels der Orientierung der l/2 Platte die relative Intensität des ersten Teilstrahls zu dem zweiten Teilstrahl eingestellt werden. Alternatively, the laser beams 38, 40, 42, 44 can have been created by beam splitting a laser beam emitted by a laser source into a first partial beam and a second partial beam by means of a beam splitter. The beam splitter can be designed in such a way that it splits into the first partial beam, the transmitted beam, and in the second partial beam, the transmitted beam, for example of approximately 50% each. For example, polarizing optics can be used for this, for example what is known as a thin-film polarizer. Thin-film polarizers are optical substrates with a special coating that allows light with p-polarization (plane of oscillation of the electrical vector parallel to the plane of the incident beam and the perpendicular on the substrate surface) to pass and light with s-polarization (plane of oscillation of the electrical vector perpendicular ¬ right to the plane of the incident beam and the perpendicular on the substrate surface) reflected. By means of a 1/2 plate in the beam path in front of the thin-film polarizer, the polarization direction of the laser beam emitted by the laser source can be rotated so that equal proportions of p- and s-polarization occur in the laser beam in front of the thin-film polarizer, in order to achieve a division of in to achieve about 50%. The 1/2 plate in front of the thin-film polarizer can, however, also be rotated in such a way that different proportions of p- and s-polarization occur in the laser beam in front of the thin-film polarizer, in order to achieve a division different from 50%. In principle, the relative intensity of the first partial beam to the second partial beam can be adjusted by means of the orientation of the 1/2 plate.
Eine solche Anordnung ist schematisch in Figur 4 gezeigt. Ein von einer Laserquelle emittierter, linear polarisierter Laserstrahl 52 trifft auf eine l/2 Platte 54, die im Strahlengang vor dem Strahlteiler 56, hier einem Dünnschicht-Polarisator angeordnet ist. Die l/2 Platte 54 ist so orientiert, dass die relativen Anteile an s- und p- Polarisation im Laserstrahl nach der l/2 Platte der gewünschten relativen Intensität der beiden Teilstrahle 58, 60 nach dem Strahlteiler 56 entspricht, wie oben allgemein beschrieben ist. Der erste Teilstrahl 58 kann dann beispielsweise der erste Laser- strahl 38 der Anordnung von Figur 3a und 3b sein, und der zweite Teilstrahl 60 kann dann beispielsweise der dritte Laserstrahl 42 von Figur 3a und 3b sein. Der zweite Teilstrahl 60 wird mittels eines reflektierenden Elements 62 so umgelenkt, dass er parallel zu dem ersten Teilstrahl 58 verläuft. Zusätzlich dazu sind im Strahlengang hinter dem Strahlteiler 56 jeweils eine l/2 Platte 64 im Strahlengang des ersten Teilstrahls und des zweiten Teilstrahls angeordnet, die den l/2 Platten 50 aus den Figuren 3a und 3b im Strahlengang des ersten Laserstrahls 38 und des dritten Such an arrangement is shown schematically in FIG. A linearly polarized laser beam 52 emitted by a laser source strikes a ½ plate 54 which is arranged in the beam path in front of the beam splitter 56, here a thin-film polarizer. The 1/2 plate 54 is oriented so that the relative proportions of s and p polarization in the laser beam after the 1/2 plate corresponds to the desired relative intensity of the two partial beams 58, 60 after the beam splitter 56, as described generally above . The first partial beam 58 can then, for example, be the first laser be beam 38 of the arrangement of Figures 3a and 3b, and the second partial beam 60 can then be, for example, the third laser beam 42 of Figures 3a and 3b. The second partial beam 60 is deflected by means of a reflective element 62 such that it runs parallel to the first partial beam 58. In addition, a 1/2 plate 64 is arranged in the beam path behind the beam splitter 56 in the beam path of the first partial beam and the second partial beam, which the 1/2 plates 50 from Figures 3a and 3b in the beam path of the first laser beam 38 and the third
Laserstrahls 42 entsprechen. Das heißt, die nachgeordnete l/2 Platte 64 im Strahlweg des ersten Teilstrahls 58 dient zur Polarisation in Richtung der kurzen Achse. Die nachgeordnete l/2 Platte 64 im Strahlweg des zweiten Teilstrahls 60 dient dann zur Polarisation in Richtung der langen Achse. Laser beam 42 correspond. That is, the downstream ½ plate 64 in the beam path of the first partial beam 58 serves for polarization in the direction of the short axis. The downstream ½ plate 64 in the beam path of the second partial beam 60 then serves for polarization in the direction of the long axis.
Der zweite und vierte Laserstrahl 40, 44 kann mit einer weiteren, der Anordnung der Figur 4 entsprechenden Anordnung mit einem Strahlteiler 56 durch Strahlteilung bereitgestellt werden. Die nachgeordneten l/2 Platten 64 sind dann wieder so orientiert, dass sie einen dritten und vierten Teilstrahl jeweils in Richtung der kurzen Achse und in Richtung der langen Achse polarisieren. Die vier Laserstrahlen der Figuren 3a und 3b können also alternativ durch 2 Laserquellen bereitgestellt werden, deren emittierte Laserstrahlen dann jeweils durch Strahlteilung in einen ersten und zweiten Teilstrahl 58, 60 bzw. in einen dritten und vierten Teilstrahl aufgeteilt werden. The second and fourth laser beams 40, 44 can be provided with a further arrangement corresponding to the arrangement in FIG. 4 with a beam splitter 56 by beam splitting. The downstream 1/2 plates 64 are then again oriented such that they polarize a third and fourth partial beam in the direction of the short axis and in the direction of the long axis. The four laser beams of FIGS. 3a and 3b can therefore alternatively be provided by 2 laser sources, the emitted laser beams of which are then divided into a first and second partial beam 58, 60 or a third and fourth partial beam by beam splitting.
Das optische System 30 von Figur 3a und 3b kann auch dazu verwendet werden, wie schon oben beschrieben wurde, eine andere Anzahl als 4 Laserstrahlen zu überlagern, beispielsweise 2 Laserstrahlen. Die 2 Laserstrahlen können dann entsprechend den 4 Laserstrahlen durch 2 Laserquellen bereitgestellt werden, oder durch eine Laserquelle, deren emittierter Laserstrahl dann durch Strahlteilung in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl aufgeteilt wird, mittels einer der Figur 4 entsprechenden oder gleichen Anordnung. The optical system 30 from FIGS. 3a and 3b can also be used, as already described above, to superimpose a number other than 4 laser beams, for example 2 laser beams. The 2 laser beams can then be provided by 2 laser sources in accordance with the 4 laser beams, or by a laser source, the emitted laser beam of which is then split into a first partial beam and a second partial beam by means of an arrangement corresponding to or the same as in FIG.
Das optische System 30 von Figur 3a und 3b ist ferner so eingerichtet, dass die Pulse verschiedener Polarisation jeweils zeitlich versetzt zueinander mit einem vorbestimmten Zeitintervall At sind. Dies kann bei der Verwendung von jeweils separaten Laserquellen für jeden Laserstrahl durch elektronisches Verzögern der Triggersignale der Laserquellen erreicht werden. Bei der Bereitstellung von Laserstrahlen mittels Teilstrahlen kann die zeitliche Verzögerung durch einen Strahlumweg erreicht werden. Wie in Figur 4 gezeigt ist, legt der zweite Teilstrahl 60 einen um den Weg As längeren Weg zurück als der erste Teilstrahl 58. Der Weg As kann so gewählt werden, dass eine Zeitverzögerung um das vorbestimmte Zeitintervall At des zweiten Teilstrahls 60 bezüglich des ersten Teilstrahls 58 entsteht. Das vorbestimmte Zeitintervall beträgt dabei bevorzugterweise 10 ns bis 20 ns. The optical system 30 of FIGS. 3a and 3b is also set up in such a way that the pulses of different polarization are each offset in time with respect to one another with a predetermined time interval Δt. When using separate laser sources for each laser beam, this can be achieved by electronically delaying the trigger signals from the laser sources. When laser beams are provided by means of partial beams, the time delay can be achieved by a beam detour. As shown in FIG. 4, the second partial beam 60 covers a path which is longer by the path As than the first partial beam 58. The path As can be chosen so that that a time delay arises by the predetermined time interval At of the second partial beam 60 with respect to the first partial beam 58. The predetermined time interval is preferably 10 ns to 20 ns.
Mittels des oben beschriebenen optischen Systems 30 werden also jeweils mindestens ein Laserpuls, der in Richtung der kurzen Achse polarisiert ist, und ein Laserpuls, der in Richtung der langen Achse polarisiert ist, auf der Beleuchtungslinie homogenisiert überlagert abgebildet, wobei der in Richtung der langen Achse polarisierte Puls bezüglich des in Richtung der kurzen Achse polarisierten Pulses um das Zeitintervall At verzögert ist. Bei der Überlagerung von vier Laserstrahlen sind zwei Laserstrahlen in Richtung der kurzen Achse polarisiert, und 2 Laserstrahlen in Richtung der langen Achse polarisiert, wobei die Laserstrahlen mit Polarisation in Richtung der kurzen Achse zeitgleich synchronisiert sind und die Laserstrahlen mit Polarisation in Richtung der langen Achse bezüglich der Laserstrahlen mit Polarisation in Richtung der kurzen Achse zeitlich verzögert um das gleiche Zeitintervall At sind. Durch die Überlagerung von zwei (oder mehr) zeitgleich synchronisierten Laserstrahlen von zwei (oder mehr) verschiedenen Laserquellen können eventuelle Fluktuationen der Energiedichte von Puls zu Puls verringert werden, die bei einer Verschiebung der Beleuchtungslinie in Richtung der kurzen Achse Puls zu Puls zu unterschiedlichen Kristallisationsergebnissen führen und zu Inhomogenitäten in der Kristallstruktur entlang der Bewegungsrichtung führen können („Shot-Mura"). Dabei ist zu beachten, dass die kombinierte Intensitätsverteilung von zwei (oder mehr) derart überlagerter Laserstrahlen (Laserpulse) durch vorhandene Zeit-Jitter, d.h. einer kurzzeitigen zeitlichen Abweichung der Intensität von einem idealen Wert, über die Zeit (von kombinierter Intensitätsverteilung zu kombinierter Intensitätsverteilung) variieren kann und so zu Inhomogenitäten in der Kristallstruktur führen kann. Speziell sind die Inhomogenitäten darauf zurückzuführen, dass bei der Kombination von zwei (oder mehr) Laserquellen jede Laserquelle einen voneinander unabhängigen Zeit-Jitter hat. Deshalb ist es vorteilhaft, (gepulste) Laserquellen mit einem möglichst kleinen Zeit-Jitter im ns-Bereich zu verwenden. By means of the optical system 30 described above, at least one laser pulse polarized in the direction of the short axis and one laser pulse polarized in the direction of the long axis are superimposed on the illumination line in a homogenized manner, the one in the direction of the long axis polarized pulse is delayed by the time interval At with respect to the pulse polarized in the direction of the short axis. When four laser beams are superimposed, two laser beams are polarized in the direction of the short axis and 2 laser beams are polarized in the direction of the long axis, whereby the laser beams with polarization in the direction of the short axis are synchronized and the laser beams with polarization in the direction of the long axis are synchronized of the laser beams with polarization in the direction of the short axis are delayed in time by the same time interval At. By superimposing two (or more) simultaneously synchronized laser beams from two (or more) different laser sources, possible fluctuations in the energy density from pulse to pulse can be reduced, which lead to different crystallization results when the illumination line is shifted in the direction of the short axis pulse to pulse and can lead to inhomogeneities in the crystal structure along the direction of movement ("shot mura"). It should be noted that the combined intensity distribution of two (or more) such superimposed laser beams (laser pulses) due to existing time jitter, ie a short-term temporal Deviation of the intensity from an ideal value, over which time (from combined intensity distribution to combined intensity distribution) can vary and thus lead to inhomogeneities in the crystal structure. In particular, the inhomogeneities are due to the fact that when combining two (or more) lasers Each laser source has an independent time jitter. It is therefore advantageous to use (pulsed) laser sources with the smallest possible time jitter in the ns range.
Die anamorphotische Homogenisierungsoptik 46 ist so ausgebildet, dass jeder eintreffende Lichtstrahl in Teilstrahlen zerlegt wird und in Richtung der langen Achse homogenisiert überlagert wird. Das heißt, jeder einzelne Strahl erzeugt eine homogene Linie. Bei der oben beschriebenen gepulsten Anordnung mit 2 Laserstrahlen wird also sowohl der Laserpuls, der in Richtung der kurzen Achse polarisiert ist und zeitlich vorauseilt, als homogene Linie überlagert und abgebildet, als auch der Laser- puls, der in Richtung der langen Achse polarisiert ist und zeitlich bezüglich des ersten Pulses verzögert ist. Bei der Anordnung mit 4 Laserstrahlen werden folglich jeder der Laserpulse, die in Richtung der kurzen Achse polarisiert sind und zeitlich vorauseilen, jeweils als homogene Linie überlagert und abgebildet, als auch jeder der Laserpulse, die in Richtung der langen Achse polarisiert sind und zeitlich bezüglich der ersten Pulse verzögert sind. The anamorphic homogenizing optics 46 are designed in such a way that each incoming light beam is split up into partial beams and is superimposed in a homogenized manner in the direction of the long axis. That means, every single ray creates a homogeneous line. In the above-described pulsed arrangement with 2 laser beams, both the laser pulse, which is polarized in the direction of the short axis and precedes in time, is superimposed and imaged as a homogeneous line, as well as the laser pulse, which is polarized in the direction of the long axis and is delayed in time with respect to the first pulse. In the arrangement with 4 laser beams, each of the laser pulses that are polarized in the direction of the short axis and are temporally ahead are superimposed and imaged as a homogeneous line, as are each of the laser pulses that are polarized in the direction of the long axis and temporally with respect to the first pulses are delayed.
Dies wird nochmal genauer anhand des offenbarten Verfahrens erläutert. This is explained again in more detail using the method disclosed.
In der Figur 5 wird das offenbarte Verfahren beispielhaft anhand einer Anordnung mit vier Laserquellen, d.h. einer ersten Laserquelle 66, einer zweiten Laserquelle 68, einer dritten Laserquelle 70 und einer vierten Laserquelle 72, beschrieben. Die erste Laserquelle 66 und die zweite Laserquelle 68 sind jeweils dazu vorgesehen, einen ersten Laserstrahl 74 mit einem ersten Laserpuls 76 und einen zweiten Laserstrahl 78 mit einem zweiten Laserpuls 80 bereitzustellen, wobei der erste und der zweite Laserpuls 76, 80 durch synchronisierte Triggersignale 82 der ersten und zweiten Laserquelle 66, 68 zeitgleich emittiert werden. Die dritte und die vierte Laserquelle 70, 72 sind dazu vorgesehen, jeweils einen dritten Laserstrahl 84 mit einem dritten Laserpuls 86 und einen vierten Laserstrahl 88 mit einem vierten Laserpuls 90 bereitzustellen, wobei die Triggersignale 92 der dritten und der vierten Laserquelle 70, 72 jeweils um das Zeitintervall At elektronisch verzögert werden, beispielweise mittels einer elektronischen Verzögerungsschaltung 94, so dass der dritte und der vierte Laserpuls 86, 90 jeweils um das Zeitintervall At bezüglich des ersten Pulses 76 und des zweiten Pulses 80 zeitlich verzögert emittiert werden und zeitlich verzögert propagieren. Gemäß dem offenbarten Verfahren werden ferner der erste Laserpuls 76 und der zweite Laserpuls 80 in Richtung der Vorschubrichtung, also in Richtung der x-Achse, linear-polarisiert, also die Polarisation wird in der Vorschubrichtung ausgerichtet, und der dritte Laserpuls 86 und der vierte Laserpuls 90 werden in Richtung der langen Achse linear-polarisiert, also die Polarisation wird in Richtung der langen Achse ausgerichtet, beispielsweise mittels der bezüglich Figur 3a und 3b beschriebenen l/2-Platten 50. Die ersten bis vierten Laserpulse 76, 80, 86, 90 haben typischerweise eine zeitliche Halbwertsbreite (FWHM), die im Bereich von 15 ns bis 20 ns liegt. Typische Zeiten für das Zeitintervall At liegen zwischen 10 ns bis 20 ns. In FIG. 5, the disclosed method is exemplified using an arrangement with four laser sources, i. a first laser source 66, a second laser source 68, a third laser source 70 and a fourth laser source 72. The first laser source 66 and the second laser source 68 are each provided to provide a first laser beam 74 with a first laser pulse 76 and a second laser beam 78 with a second laser pulse 80, the first and second laser pulses 76, 80 being synchronized with trigger signals 82 first and second laser sources 66, 68 are emitted simultaneously. The third and fourth laser sources 70, 72 are provided to each provide a third laser beam 84 with a third laser pulse 86 and a fourth laser beam 88 with a fourth laser pulse 90, the trigger signals 92 of the third and fourth laser sources 70, 72 each around the time interval At can be delayed electronically, for example by means of an electronic delay circuit 94, so that the third and fourth laser pulses 86, 90 are each emitted with a time delay by the time interval At with respect to the first pulse 76 and the second pulse 80 and propagate with a time delay. According to the disclosed method, the first laser pulse 76 and the second laser pulse 80 are furthermore linearly polarized in the direction of the feed direction, i.e. in the direction of the x-axis, that is, the polarization is aligned in the feed direction, and the third laser pulse 86 and the fourth laser pulse 90 are linearly polarized in the direction of the long axis, i.e. the polarization is aligned in the direction of the long axis, for example by means of the 1/2 plates 50 described with reference to FIGS. 3a and 3b. The first to fourth laser pulses 76, 80, 86, 90 typically have a time width at half maximum (FWHM) in the range of 15 ns to 20 ns. Typical times for the time interval At are between 10 ns and 20 ns.
Die vier Laserstrahlen 74, 78, 84, 88 mit den vier Laserpulsen 76, 80, 86, 90 werden dann in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform umgeformt, beispielsweise mittels der anhand von Figuren 3a und 3b beschriebenen Strahlformungseinrichtung 32. Der so geformte Laserpuls wird anschließend als eine Beleuchtungslinie 36 auf eine Bildebene des Halbleitermaterials abgebildet, beispielsweise mittels der anhand von Figuren 3a und 3b beschriebenen Abbildungseinrichtung 34. The four laser beams 74, 78, 84, 88 with the four laser pulses 76, 80, 86, 90 are then converted into a laser pulse having a short axis and a long axis in line form, for example by means of the method based on FIGS. 3a and 3b The laser pulse thus formed is then imaged as an illumination line 36 on an image plane of the semiconductor material, for example by means of the imaging device 34 described with reference to FIGS. 3a and 3b.
In der Figur 6 ist das offenbarte Verfahren beispielhaft anhand einer Anordnung mit zwei Laserquellen beschrieben. Dabei entspricht die erste Laserquelle 66 der ersten Laserquelle von Figur 5, und die zweite Laserquelle 70 entspricht der dritten Laserquelle von Figur 5. Demgemäß wird das Triggersignal 92 der zweiten Laserquelle 70 elektronisch bezüglich des Triggersignals 82 der ersten Laserquelle 66 um das Zeitin¬ tervall At verzögert, so dass der zweite Laserpuls 86 um das Zeitintervall At verzögert bezüglich des ersten Laserpulses 76 propagiert. Ferner wird der erste Laserpuls 76 in Richtung der kurzen Achse des später geformten Laserpulses bzw. der Beleuchtungslinie in Linienform linear-polarisiert, und der zweite Laserpuls 86 wird senkrecht dazu in Richtung der langen Achse linear-polarisiert, beispielsweise mittels der bezüglich Figuren 3a und 3b beschriebenen l/2 Platten 80. Die Richtung der kurzen Achse entspricht dabei der Richtung eines Vorschubs, mit dem die später geformte Beleuch¬ tungslinie 36 bezüglich des zu bearbeitenden Halbleitermaterials 12 bewegt wird. Analog zu dem Verfahren der Figur 5 werden dann die zwei Laserstrahlen 74, 84 mit den zwei Laserpulsen 76, 86 in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform umgeformt, beispielsweise mittels der anhand von Figuren 3a und 3b beschriebenen Strahlformungseinrichtung 32. Der so geformte Laserpuls wird anschließend als eine Beleuchtungslinie 36 auf eine Bildebene des Halbleitermaterials 12 abgebildet, beispielsweise mittels der anhand von Figuren 3a und 3b beschriebenen Abbildungseinrichtung 34. In FIG. 6, the disclosed method is described by way of example using an arrangement with two laser sources. The first laser source 66 corresponds to the first laser source of Figure 5, and the second laser source 70 corresponds to the third laser source of Figure 5. Accordingly, the trigger signal 92 of the second laser source 70 electronically with respect to the trigger signal 82 of the first laser source 66 to the Zeitin ¬ interval At delayed, so that the second laser pulse 86 propagates delayed by the time interval At with respect to the first laser pulse 76. Furthermore, the first laser pulse 76 is linearly polarized in the direction of the short axis of the laser pulse formed later or the line of illumination in the form of a line, and the second laser pulse 86 is linearly polarized perpendicular thereto in the direction of the long axis, for example by means of the FIGS. 3a and 3b l / 2 plate 80. the described direction of the short axis corresponds to the direction of feed, with the later shaped BL LEVEL ¬ tung line 36 with respect to the is moved to be processed semiconductor material 12th Analogous to the method in FIG. 5, the two laser beams 74, 84 with the two laser pulses 76, 86 are then converted into a laser pulse with a short axis and a long axis in line form, for example by means of the beam shaping device 32 described with reference to FIGS. 3a and 3b. The laser pulse formed in this way is then imaged as an illumination line 36 on an image plane of the semiconductor material 12, for example by means of the imaging device 34 described with reference to FIGS. 3a and 3b.
Die Liniengeometrie der so geformten Beleuchtungslinie 36 wurde anhand der Figu¬ ren 2a bis 2c erläutert. Der kombinierte zeitliche Intensitätsverlauf, also die Intensität der überlagerten und zeitlich zueinander verzögerten Pulse in Abhängigkeit von der Zeit, der so geformten Beleuchtungslinie soll nun anhand von Figur 7 erläutert werden. In der Figur 7 ist der kombinierte zeitliche Intensitätsverlauf 96 beispielhaft für das in der Figur 6 offenbarte Verfahren mit zwei Laserstrahlen dargestellt. In der Figur 7 ist ferner sowohl die kombinierte Intensität der beiden Laserstrahlen 74, 84 als auch die Intensität der Pulse für jeden einzelnen Laserstrahl in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Dabei entspricht in der Figur 7 der mit dem Bezugszeichen 98 gekennzeichnete Intensitätsverlauf dem Intensitätsverlauf des ersten Laserpulses 76 des ersten Laserstrahls 74, der mit dem Bezugszeichen 100 gekennzeichnete Intensitätsverlauf dem Intensitätsverlauf des zweiten Laserpulses 86 des zweiten Laserstrahls 84, und der mit dem Bezugszeichen 96 gekennzeichnete Intensitätsverlauf dem kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf des ersten und zweiten Pulses 76, 86. Der erste und der zweite Laserpuls 76, 86 haben jeweils eine zeitliche Halbwertsbreite (FWHM), die zwischen 15 ns und 20 ns beträgt. Wie ferner in der Figur 7 zu sehen ist, ist der zweite Laserpuls 86 zeitlich verzögert bezüglich des ersten Laserpulses 76, und zwar um eine Zeitdauer von circa 10 ns bis 20 ns. In der Figur 7 beträgt die Zeitdauer in etwa 20 ns. Dadurch entsteht im kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf 96 ein Pulsverlauf, der ein erstes Maximum Ml und ein zweites Maximum M2 aufweist, und der in Bezug auf die Einzelpulsdauer eine verbreiterte Pulsdauer 102 hat, und zwar ergibt sich eine Gesamtpulslänge von 40 ns bis 50 ns. Die Gesamtpulslänge 102 entspricht wieder einer zeitlichen Halbwertsbreite, und zwar der zeitlichen Halbwertsbreite auf das erste Maximum bezogen („Full Width at Half Maximum of First Maximum"), also der Breite des Pulses an der Stelle, an der die Intensität des ersten Pulses die Hälfte des Maximalwertes Ml hat. The linear geometry of the thus formed illumination line 36 was the basis of the Figu ¬ ren explained 2a to 2c. The combined intensity profile over time, that is to say the intensity of the superimposed and mutually delayed pulses as a function of time, of the illumination line formed in this way will now be explained with reference to FIG. In FIG. 7, the combined intensity profile 96 over time is shown as an example for the method disclosed in FIG. 6 with two laser beams. FIG. 7 also shows both the combined intensity of the two laser beams 74, 84 and the intensity of the pulses for each individual laser beam as a function of time. In FIG. 7, the intensity profile marked with the reference number 98 corresponds to the intensity profile of the first laser pulse 76 of the first laser beam 74, the intensity profile marked with the reference number 100 corresponds to the intensity profile of the second laser pulse 86 of the second laser beam 84, and the intensity profile marked with the reference number 96 the combined temporal intensity profile of the first and second pulse 76, 86. The first and the second laser pulse 76, 86 each have a time width at half maximum (FWHM) that is between 15 ns and 20 ns. As can also be seen in FIG. 7, the second laser pulse 86 is delayed in time with respect to the first laser pulse 76, specifically by a period of approximately 10 ns to 20 ns. In FIG. 7 the duration is approximately 20 ns. This results in a pulse profile in the combined time intensity profile 96 which has a first maximum M1 and a second maximum M2 and which has a widened pulse duration 102 in relation to the individual pulse duration, namely a total pulse length of 40 ns to 50 ns. The total pulse length 102 again corresponds to a temporal half-width, specifically the temporal half-width based on the first maximum ("Full Width at Half Maximum of First Maximum"), ie the width of the pulse at the point where the intensity of the first pulse is half of the maximum value Ml.
Wie auch in Figur 7 dargestellt ist, ist die maximale Intensität Ml des ersten Laserpulses 76 größer als die maximale Intensität M2 des zweiten, zeitlich verzögerten Laserpulses 86. Speziell wird die Intensität des ersten Laserpulses 76 relativ zu der Intensität des zweiten Laserpulses 86 so eingestellt, dass das Verhältnis des ersten Maximums Ml zu dem zweiten Maximum M2 des kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf 96, das Verhältnis M1/M2, zwischen 1/1,2 und 1/0,7, also zwischen 0,8 und 1,4 liegt. Dies kann bei der Ausführungsform, bei der jeder Laserstrahl durch eine separate Laserquelle bereitgestellt wird, dadurch erreicht werden, dass die Intensitäten der einzelnen Laserstrahlen aufeinander abgestimmt werden. Bei der in Figur 4 schematisch gezeigten Anordnung, bei der die zwei Laserstrahlen durch Teilung eines Laserstrahls bereitgestellt werden, kann die relative Intensität durch Verändern der s- und p-Anteile des Lichtstrahls vor dem Dünnfilm-Polarisator 56 durch entsprechendes Drehen der l/2 Platte 54 erreicht werden. As is also shown in Figure 7, the maximum intensity Ml of the first laser pulse 76 is greater than the maximum intensity M2 of the second, time-delayed laser pulse 86.Specifically, the intensity of the first laser pulse 76 is set relative to the intensity of the second laser pulse 86 so that that the ratio of the first maximum Ml to the second maximum M2 of the combined intensity curve 96 over time, the ratio M1 / M2, is between 1 / 1.2 and 1 / 0.7, that is between 0.8 and 1.4. In the embodiment in which each laser beam is provided by a separate laser source, this can be achieved in that the intensities of the individual laser beams are matched to one another. In the arrangement shown schematically in FIG. 4, in which the two laser beams are provided by splitting a laser beam, the relative intensity can be adjusted by changing the s and p components of the light beam in front of the thin-film polarizer 56 by rotating the 1/2 plate accordingly 54 can be achieved.
Wie oben auch schon ausführlich beschrieben wurde, ist gemäß der vorliegenden Offenbarung der erste Laserpuls 76 linear-polarisiert in Richtung der kurzen Achse, also in Richtung des Vorschubs, und der zweite Laserpuls 86 ist linear-polarisiert in Richtung der langen Achse. Eine der vorliegenden Offenbarung zugrundeliegende Erkenntnis ist es, dass die oben beschriebene Linear-Polarisation des ersten und zweiten Pulses 76, 86 einen positiven Effekt auf die Homogenität der mit der Laserlinie bearbeiteten Halbleitermaterialschicht 12 hat. So hat sich herausgestellt, dass bei einer Polarisation des zeitlich ersten Pulses in Richtung des Vorschubs und des zeitlich verzögerten Pulses in Richtung der langen Achse sehr homogene 50 nm bis 60 nm dicke Schichten aus kristallinem Silizium mit regelmäßiger Kornstruktur entstehen. Das Verhältnis des ersten Maximums Ml zu dem zweiten Maximum M2 des kombinierten zeitlichen Intensitätsverlaufs betrug dabei in etwa 1 :1, also zwischen 0,8 und 1,4. As already described in detail above, according to the present disclosure, the first laser pulse 76 is linearly polarized in the direction of the short axis, that is to say in the direction of advance, and the second laser pulse 86 is linearly polarized in the direction of the long axis. One finding on which the present disclosure is based is that the above-described linear polarization of the first and second pulses 76, 86 has a positive effect on the homogeneity of the semiconductor material layer 12 processed with the laser line. It has been found that with a polarization of the temporally first pulse in the direction of the advance and the temporally delayed pulse in the direction of the long axis, very homogeneous 50 nm to 60 nm thick layers of crystalline silicon with a regular grain structure result. The ratio of the first maximum M1 to the second maximum M2 of the combined intensity profile over time was approximately 1: 1, that is to say between 0.8 and 1.4.
Bei einer vertauschten Polarisation dagegen, also bei einer Linear-Polarisation des ersten Pulses in Richtung der langen Achse und des zweiten, verzögerten Pulses in Richtung der kurzen Achse, konnte dieser positive Effekt nicht beobachtet werden. In contrast, with an interchanged polarization, i.e. with a linear polarization of the first pulse in the direction of the long axis and the second, delayed pulse in the direction of the short axis, this positive effect could not be observed.
Diese Erkenntnis soll anhand der folgenden experimentellen Daten verdeutlicht werden: This finding should be illustrated by the following experimental data:
Das zu bearbeitende Halbleitermaterial war eine 50 nm dünne Schicht aus amorphem Silizium auf einem Glassubstrat als Träger. Die verwendete optische Anordnung war eine Linienstrahlanordnung mit vier UV-Festkörperlasern, die Licht mit einer Wellenlänge von 343 nm emittieren. Die vier Laser wurden mit einer Pulswiederholrate von 10 kHz betrieben. Die Pulslänge der emittierten Pulse, also die zeitliche Halbwertsbreite, betrug zwischen 15 ns und 20 ns. Die Energie eines Laserpulses betrug bis zu 20 mJ. Die Energiedichte am Substrat, also an der Siliziumschicht, betrug 220 mJ/cm2. Analog zu dem Verfahren von Figur 5 wurden die Vielzahl der ersten und der zweiten Laserpulse von einem ersten und zweiten Laser der vier Laser durch synchronisierte Triggersignale der Laserquellen jeweils zeitgleich synchronisiert, so dass jeweils ein erster Laserpuls zeitgleich mit einem zweiten Laserpuls emittiert wurde. Die Vielzahl der dritten und vierten Laserpulse des dritten und vierten Lasers wurde jeweils bezüglich der Vielzahl von ersten und zweiten Laserpulsen zeitlich verzögert um 10 ns bis 20 ns. Die Intensitäten der vier Laserstrahlen wurden so eingestellt, dass sich ein Verhältnis von 1/1 für das Verhältnis des ersten Maximums zu dem zweiten Maximum im kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf (M1/M2) ergab. Die Laserpulse der vier Laserstrahlen wurden mit einer der Figuren 3a und 3b entsprechenden Anordnung in eine Laserlinie umgeformt und als Beleuchtungslinie auf dem amorphen Silizium abgebildet. Die Beleuchtungslinie wurde mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 20 mm/s bezüglich der Halbleiterschicht bewegt, und zwar in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie. Die Länge der Beleuchtungslinie in Richtung der langen Achse betrug 90 mm mit einer Homogenität von 1,5% (2o). Die Länge der Beleuchtungslinie in Richtung der kurzen Achse betrug 67 pm mit einer Homogenität von 3% (2o). Die Gesamtpulslänge des kombinierten zeitlichen Intensitätsverlaufs betrug 45 ns („Full Width at Half Maximum of First Maximum"). The semiconductor material to be processed was a 50 nm thin layer of amorphous silicon on a glass substrate as a carrier. The optical arrangement used was a line beam arrangement with four UV solid-state lasers which emit light with a wavelength of 343 nm. The four lasers were operated with a pulse repetition rate of 10 kHz. The pulse length of the emitted pulses, i.e. the time half-value width, was between 15 ns and 20 ns. The energy of a laser pulse was up to 20 mJ. The energy density on the substrate, that is to say on the silicon layer, was 220 mJ / cm 2 . Analogous to the method of Figure 5, the plurality of first and second laser pulses from a first and second laser of the four lasers were synchronized by synchronized trigger signals from the laser sources, so that a first laser pulse was emitted at the same time as a second laser pulse. The plurality of third and fourth laser pulses of the third and fourth laser was delayed by 10 ns to 20 ns in each case with respect to the plurality of first and second laser pulses. The intensities of the four laser beams were set so that a ratio of 1/1 resulted for the ratio of the first maximum to the second maximum in the combined intensity curve over time (M1 / M2). The laser pulses of the four laser beams were transformed into a laser line with an arrangement corresponding to FIGS. 3a and 3b and imaged as an illumination line on the amorphous silicon. The line of illumination was moved with respect to the semiconductor layer at a feed rate of 20 mm / s, specifically in the direction of the short axis of the line of illumination. The length of the line of illumination in the direction of the long axis was 90 mm with a homogeneity of 1.5% (2o). The length of the illumination line in the direction of the short axis was 67 μm with a homogeneity of 3% (2o). The total pulse length of the combined intensity curve over time was 45 ns (“Full Width at Half Maximum of First Maximum”).
In einem 1. Versuch (Versuch a)) wurden nun die Pulse 76, 80 des ersten und zweiten Laserstrahls 74, 78 in Richtung der kurzen Achse linear-polarisiert, und die Pulse 86, 90 der verzögerten dritten und vierten Laserstrahlen 84, 88 wurden in Richtung der langen Achse polarisiert. In a first experiment (experiment a)) the pulses 76, 80 of the first and second laser beams 74, 78 were linearly polarized in the direction of the short axis, and the pulses 86, 90 of the delayed third and fourth laser beams 84, 88 were polarized in the direction of the long axis.
In einem 2. Versuch (Versuch b)) wurden die Pulse des ersten und zweiten Laserstrahls in Richtung der langen Achse linear-polarisiert, und die Pulse der verzögerten dritten und vierten Laserstrahlen wurden in Richtung der kurzen Achse polarisiert. In a 2nd experiment (experiment b)) the pulses of the first and second laser beams were linearly polarized in the direction of the long axis, and the pulses of the delayed third and fourth laser beams were polarized in the direction of the short axis.
Die Figur 8a zeigt ein mit einem Rasterelektronen-Mikroskop aufgenommenes Bild der Siliziumoberfläche nach der Laserbelichtung gemäß Versuch a), und die Figur 8b zeigt ein mit einem Rasterelektronen-Mikroskop aufgenommenes Bild der Siliziumoberfläche nach der Laserbeiichtung gemäß Versuch b). In beiden Bildern war die Vorschubrichtung in Richtung der x-Achse (kurze Achse der Beleuchtungslinie), also bezüglich Figur 8a und 8b in vertikaler Richtung. FIG. 8a shows an image of the silicon surface recorded with a scanning electron microscope after the laser exposure according to experiment a), and FIG. 8b shows an image of the silicon surface recorded with a scanning electron microscope after the laser exposure according to experiment b). In both images, the feed direction was in the direction of the x-axis (short axis of the line of illumination), that is to say in the vertical direction with regard to FIGS. 8a and 8b.
Figur 8a zeigt, dass sich eine regelmäßige Kornstruktur senkrecht zur der Vorschubrichtung, also in y-Richtung, in Richtung der langen Achse ergibt. Speziell ist zu sehen, dass die Körner in vertikal verlaufenden Reihen angeordnet sind, die in etwa gleich beabstandet sind, und zwar mit einem Abstand von in etwa 0,35 pm, entsprechend der Wellenlänge des UV-Lasers. Oder anders ausgedrückt: Die Kornstruktur zeigt ein in Vorschubrichtung verlaufendes Streifenmuster, wobei die Streifen gleich beabstandet sind und sich so eine Homogenität in Richtung der langen Achse ergibt. Die Korngröße in Richtung der langen Achse (y-Richtung) weist also eine große Homogenität auf. In Richtung der kurzen Achse (x-Richtung) zeigt sich eine im Vergleich zur langen Achse geringere Homogenität. Figur 8b zeigt dagegen, dass sich keinerlei ausgeprägte Homogenität, weder in Richtung der kurzen Achse (x-Richtung) noch in Richtung der langen Achse (y-Richtung) ergibt. Die Kornstruktur erscheint im Vergleich zu der Kornstruktur der Figur 8a ungeordnet, sowohl in Bezug auf die Orientierung als auch in Bezug auf die Größe der Körner. FIG. 8a shows that a regular grain structure results perpendicular to the feed direction, that is to say in the y direction, in the direction of the long axis. In particular, it can be seen that the grains are arranged in vertically running rows which are approximately equally spaced, with a spacing of approximately 0.35 μm, corresponding to the wavelength of the UV laser. In other words: the grain structure shows a stripe pattern running in the direction of advance, the stripes being equally spaced and thus producing a homogeneity in the direction of the long axis. The grain size in the direction of the long axis (y-direction) therefore exhibits great homogeneity. In the direction of the short axis (x direction), there is less homogeneity compared to the long axis. In contrast, FIG. 8b shows that there is no pronounced homogeneity, neither in the direction of the short axis (x direction) nor in the direction of the long axis (y direction). The grain structure appears disordered in comparison to the grain structure of FIG. 8a, both in terms of the orientation and in terms of the size of the grains.
Wie oben schon beschrieben wurde, basiert der Laser-Kristallisationsprozess auf dem teilweisen Aufschmelzen der a-Si Schicht und der anschließenden Verfestigung ausgehend von nicht-aufgeschmolzenem festem Silizium auf dem Glassubstrat in einer kristallinen Struktur. Das Aufschmelzen und Verfestigen läuft auf einer Zeitskala von 10 ns bis 100 ns ab und die sich anschließende Abkühlung des Films auf Raumtemperatur über mehrere 100 ps. Die Pulswiederholrate von 10 kHz entspricht einer Periode von 100 ps. Da die Pulswiederholrate, die Vorschubgeschwindigkeit und die Pulsbreite der Beleuchtungslinie in Vorschubrichtung so dimensioniert sind, dass eine Stelle des Halbleitermaterials mehrmals während des Belichtungsvorgangs belichtet wird, also von mehreren aufeinanderfolgenden Pulsen, und die der Pulswiederholrate entsprechende Periode kleiner ist als die Zeit, die der Film braucht, um auf Raumtemperatur abzukühlen, wird das Halbleitermaterial während des Kristallisationsprozesses wiederholt mit UV-Licht bestrahlt. Hinzu kommt die relativ lange Belichtung durch einen Puls aufgrund des relativ langen zeitlichen Laserpulsverlaufs über meh¬ rere 10 ns. Diese Mehrfachbelichtung fördert die Ausbildung gleichmäßiger Kornstrukturen. As already described above, the laser crystallization process is based on the partial melting of the a-Si layer and the subsequent solidification starting from non-melted solid silicon on the glass substrate in a crystalline structure. Melting and solidifying takes place on a time scale from 10 ns to 100 ns and the subsequent cooling of the film to room temperature over several 100 ps. The pulse repetition rate of 10 kHz corresponds to a period of 100 ps. Since the pulse repetition rate, the feed rate and the pulse width of the illumination line in the feed direction are dimensioned in such a way that a point of the semiconductor material is exposed several times during the exposure process, i.e. from several consecutive pulses, and the period corresponding to the pulse repetition rate is smaller than the time that the film needs to cool down to room temperature, the semiconductor material is repeatedly irradiated with UV light during the crystallization process. In addition, the relatively long exposure comes through a pulse due to the relatively long laser pulse temporal profile over meh ¬ eral 10 ns. This multiple exposure promotes the formation of uniform grain structures.
Wie einleitend erwähnt, ist es ferner bekannt, dass die Polarisation des Laserlichts, insbesondere in Kombination mit der oben beschriebenen Mehrfachbelichtung, einen positiven Effekt auf die regelmäßige polykristalline Silizium-Kornstruktur haben kann. Dies ist auf einen Oberflächeninterferenzeffekt („Laser Induced Periodical Pattern Structure", LIPSS) zurückzuführen, der dazu führt, dass eine modulierte Intensitätsverteilung entsteht. So hat sich gezeigt, dass sich eine regelmäßige Struktur entlang der langen Achse ausbildet, wenn das Licht in Richtung der langen Achse linearpolarisiert ist, entsprechend ist der Effekt in Vorschubrichtung beobachtbar, wenn das Licht in Richtung der kurzen Achse (Vorschubrichtung) linear-polarisiert ist. As mentioned in the introduction, it is also known that the polarization of the laser light, in particular in combination with the multiple exposure described above, can have a positive effect on the regular polycrystalline silicon grain structure. This is due to a surface interference effect ("Laser Induced Periodical Pattern Structure", LIPSS), which results in a modulated intensity distribution. It has been shown that a regular structure is formed along the long axis when the light is directed in the direction of the long axis is linearly polarized, accordingly the effect in the feed direction can be observed if the light is linearly polarized in the direction of the short axis (feed direction).
Der LIPPS Effekt wurde in zahlreichen Publikationen diskutiert, beispielweise in den unten angegebenen Referenzen (1) bis (4). Man nimmt dabei an, dass die modulierte Intensitätsverteilung durch eine Wechselwirkung des einfallenden Lichtstrahls mit den an der Oberfläche und in Richtung der Oberfläche gebeugten Lichtstrahlen und eine dadurch bedingte periodische Verteilung der Pulsenergiedichte entsteht. Die periodische Pulsenergiedichteverteilung hat die Form von sogenannten„ripples", die um einen Betrag von l/(1 ± sinO) beabstandet sind, für Laserlicht mit einer Wellenlänge l und einem Einfallswinkel Q. Für senkrechten Lichteinfall (0=0°) ergibt sich damit eine Beabstandung in der Größenordnung von der Wellenlänge l. Die„ripples" erstrecken sich dabei in einer Richtung senkrecht zum E-Feld Vektor, also zur Polarisationsrichtung des Lichtstrahls bzw. Lichtpulses und weisen eine Periodizität in Richtung des E-Feld Vektors auf. Entlang der„ripples" ist die Pulsenergiedichte minimal oder maximal. Die periodische Pulsenergiedichte verursacht die räumlich periodische Temperaturverteilung auf der belichteten Halbleitermaterialschicht, wobei die perio¬ dische Temperaturverteilung ähnlich zu der periodischen Pulsenergiedichteverteilung ist. Bei der periodischen Temperaturverteilung muss außerdem noch die thermische Diffusion in der Halbleitermaterialschicht berücksichtigt werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die periodische Verteilung der Pulsenergiedichte mit der Dicke der Halbleitermaterialschicht variiert aufgrund von Mehrfachreflexionen im Innern der Halbleitermaterialschicht. The LIPPS effect has been discussed in numerous publications, for example in the references (1) to (4) given below. It is assumed that the modulated intensity distribution is caused by an interaction of the incident light beam with the light beams diffracted on the surface and in the direction of the surface a resulting periodic distribution of the pulse energy density arises. The periodic pulse energy distribution has the form of so-called "ripples", which are spaced apart by an amount of l / (1 ± sinO) for laser light with a wavelength l and an angle of incidence Q. For perpendicular incidence of light (0 = 0 °) this results a spacing in the order of magnitude of the wavelength 1. The "ripples" extend in a direction perpendicular to the E-field vector, that is, to the polarization direction of the light beam or light pulse and have a periodicity in the direction of the E-field vector. Along the "ripples" the pulse energy density is at a minimum or a maximum. The periodic pulse energy density causes the spatially periodic temperature distribution on the exposed semiconductor material layer, wherein the perio ¬ sized temperature distribution is similar to the periodic pulse energy density distribution. In periodic temperature distribution also has yet to the thermal diffusion in the It has also been found that the periodic distribution of the pulse energy density varies with the thickness of the semiconductor material layer due to multiple reflections in the interior of the semiconductor material layer.
Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass nach diesen Beobachtungen, um eine Periodizität bzw. Regelmäßigkeit in Richtung der langen Achse zu erhalten, der E-Feld Vektor in Richtung der langen Achse sein muss, also das Licht bzw. der Lichtpuls in Richtung der langen Achse linear-polarisiert sein muss. In summary, it can be stated that, according to these observations, in order to obtain a periodicity or regularity in the direction of the long axis, the E-field vector must be in the direction of the long axis, i.e. the light or the light pulse in the direction of the long axis must be linearly polarized.
Entsprechend ist man bisher davon ausgegangen, dass jeder Puls mindestens einen Anteil an Polarisation in Richtung der langen Achse enthalten muss, um eine regel¬ mäßige Kornstruktur in Richtung der langen Achse erzeugen zu können. Accordingly, it has previously been assumed that each pulse at least contain an amount of polarization in the direction of the long axis to be able must generate to a control ¬ uniform grain structure in the direction of the long axis.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung hat sich nun herausgestellt, dass es hinsichtlich der Homogenität der polykristallinen Silizium-Kornstruktur besonders vorteilhaft ist, wenn der zeitlich erste Puls 76 oder die zeitlichen ersten Pulse 76, 80 in Richtung der kurzen Achse, also in Vorschubrichtung, polarisiert ist, und der zweite, verzögerte Puls 86 oder die zweiten verzögerten Pulse 86, 90 in Richtung der langen Achse polarisiert ist. According to the present disclosure, it has now been found that, with regard to the homogeneity of the polycrystalline silicon grain structure, it is particularly advantageous if the temporal first pulse 76 or the temporal first pulses 76, 80 is polarized in the direction of the short axis, i.e. in the feed direction, and the second delayed pulse 86 or the second delayed pulses 86, 90 is polarized in the direction of the long axis.
Eine mögliche Erklärung dafür, dass regelmäßige Kornstrukturen gefördert werden, wenn der zweite Puls in der langen Achse polarisiert ist, könnte sein, dass dieses Licht in der langen Achse die Interferenzmodulation (LIPPS) mit der Laserwellenlänge erzeugt und damit die strukturierte Kornbildung in dieser Richtung unterstützt. Ist der zweite Puls in Vorschubrichtung linear-polarisiert, bildet sich keine Interferenz¬ modulation in der langen Achse aus. A possible explanation for the fact that regular grain structures are promoted when the second pulse is polarized in the long axis could be that this light in the long axis generates the interference modulation (LIPPS) with the laser wavelength and thus supports the structured grain formation in this direction . Is the second pulse in the direction of linearly polarized-, no interference ¬ modulation forms in the long axis.
Ein Erklärungsansatz, warum die Polarisation des Lichtes im ersten Maximum, also des ersten Pulses, in Richtung der kurzen Achse (Vorschubrichtung) vorteilhaft für die Kornstruktur ist, könnte sein, dass in diesem Zeitabschnitt der Bestrahlung der Film in der langen Achse gleichmäßiger aufgeheizt wird als wie wenn ein Polarisationsanteil in Richtung der langen Achse vorhanden wäre, da dort die Interferenzmodulation nicht auftritt, und erst der zweite Pulsanteil die partiell flüssige Phase strukturiert erzeugt und die Kornstruktur fördert. An attempt to explain why the polarization of the light in the first maximum, i.e. the first pulse, in the direction of the short axis (feed direction) is advantageous for the grain structure, could be that in this period of irradiation the film in the long axis is heated more evenly than as if there were a polarization component in the direction of the long axis, since the interference modulation does not occur there, and only the second pulse component generates the partially liquid phase in a structured manner and promotes the grain structure.
Ferner wurde beobachtet, dass bei der Einstellung der Polarisation des ersten Pulses in Vorschubrichtung, also in Richtung der kurzen Achse, und des zweiten verzögerten Pulses in Richtung der langen Achse gemäß Versuch a) sich die Größe des Energiedichte-Prozessfensters auf 20 bis 25 itύ/cm2 vergrößert (für ein Energiedichte- Prozessfenster von 210 bis 230 bzw. 235 mJ/cm2), im Vergleich zu einer Belichtung, bei der der erste Puls und der zweite, verzögerte Puls die gleiche Polarisationsverteilung in den beiden Richtungen aufweisen. Für diesen Fall wurden für die Größe des Energiedichte-Prozessfensters nur ca. 10 mJ/cm2 beobachtet (für ein Energiedichte- Prozessfenster von 215 bis 225 mJ/cm2). It was also observed that when setting the polarization of the first pulse in the feed direction, i.e. in the direction of the short axis, and of the second delayed pulse in the direction of the long axis according to experiment a), the size of the energy density process window is 20 to 25 itύ / cm 2 increased (for an energy density process window of 210 to 230 or 235 mJ / cm 2 ), compared to an exposure in which the first pulse and the second, delayed pulse have the same polarization distribution in the two directions. In this case, only about 10 mJ / cm 2 were observed for the size of the energy density process window (for an energy density process window of 215 to 225 mJ / cm 2 ).
Schließlich konnte festgestellt werden, dass bei einer„optischen Verzögerung", wie beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist, vorteilhafte Ergebnisse im Vergleich zu einer „elektronischen Verzögerung", wie beispielsweise in den Fign. 5 und 6 dargestellt ist, erzielt werden. Insbesondere konnte festgestellt werden, dass die Inhomogenitäten in der Kristallstruktur in der Bewegungsrichtung („Shot-Mura") bei einer„optischen Verzögerung" im Vergleich zu einer„elektronischen Verzögerung" reduziert werden können. Finally, it was found that with an "optical delay", as shown for example in FIG. 4, advantageous results compared to an "electronic delay", as shown for example in FIGS. 5 and 6 can be achieved. In particular, it was found that the inhomogeneities in the crystal structure in the direction of movement (“shot mura”) can be reduced with an “optical delay” compared to an “electronic delay”.
Wie oben schon erläutert wurde, können sich bei der Überlagerung von zwei (oder mehr) zeitgleich synchronisierter Laserstrahlen von zwei (oder mehr) verschiedenen Laserquellen Schwankungen in der Intensitätsverteilung aufgrund von vorhandenen Zeit-Jittern der Laserquellen zueinander ergeben. As has already been explained above, when two (or more) simultaneously synchronized laser beams from two (or more) different laser sources are superimposed, fluctuations in the intensity distribution due to existing time jitter between the laser sources can result.
Wenn man beispielweise einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf 96, wie er in Fig. 7 für zwei Laserpulse 76, 86 dargestellt ist, betrachtet und für vier Laserpulse bildet, setzt sich der Intensitätsverlauf 98 des ersten Laserpulses 76 aus dem kombi- nierten Intensitätsverlauf 98 zweier erster Laserpulse 76, 80 zusammen, und der Intensitätsverlauf 100 des zweiten Laserpulses 86 aus dem kombinierten Intensitätsverlauf 100 zweier zweiter Laserpulse 86, 90. Dabei ist es möglich, durch gepulste Laserquellen mit einem möglichst kleinen Zeit-Jitter (beispielsweise im ns-Bereich), Variationen von kombiniertem Intensitätsverlauf 98 zu kombiniertem Intensitätsver¬ lauf 98 bzw. von kombiniertem Intensitätsverlauf 100 zu kombiniertem Intensitätsverlauf 100 zu minimieren. Da die beiden ersten Laserpulse 76, 80 bzw. die beiden zweiten Laserpulse 86, 90 sowohl bei einer Vorrichtung mit optischer Verzögerung als auch bei einer Vorrichtung mit elektronischer Verzögerung von verschiedenen Laserquellen stammen, ergibt sich hinsichtlich dieser„Verschmierung" durch vorhandenen Zeit-Jitter keine unterschiedliche Situation für die elektronische und die optische Verzögerung. If, for example, a combined intensity curve 96 over time, as shown in FIG. 7 for two laser pulses 76, 86, is considered and formed for four laser pulses, the intensity curve 98 of the first laser pulse 76 is made up of the combined The intensity profile 98 of two first laser pulses 76, 80 combined, and the intensity profile 100 of the second laser pulse 86 from the combined intensity profile 100 of two second laser pulses 86, 90. It is possible to use pulsed laser sources with the smallest possible time jitter (for example in ns Range) to minimize variations from the combined intensity profile 98 to the combined intensity profile 98 or from the combined intensity profile 100 to the combined intensity profile 100. Since the two first laser pulses 76, 80 and the two second laser pulses 86, 90 originate from different laser sources both in a device with optical delay and in a device with electronic delay, there is no such "smearing" due to time jitter different situation for electronic and optical delay.
Der kombinierte zeitliche Intensitätsverlauf 96 der Fig. 7 ergibt sich dann durch Über- lagerung der (kombinierten) Intensitätsverläufe 98, 100. Wie in Fig. 7 dargestellt ist, sind die Pulsbreiten und Verzögerungen so gewählt, dass der vorauslaufende Puls 98 bzw. die vorauslaufende Pulskombination 98 mit dem nachfolgenden Puls 100 bzw. der nachfolgenden Pulskombination 100 überlagert. Dabei entsteht ein erstes Maximum Ml, das praktisch nicht durch den verzögerten Puls 100 bzw. die verzögerte Pulskombination 100 beeinflusst wird (da der verzögerte Puls 100 bzw. die verzögerte Pulskombination 100 keinen bzw. kaum Beitrag zu dem Maximum Ml des kombinierten Intensitätsverlaus 96 leistet), und ein zweites Maximum M2, dessen Lage und Ausprägung deutlich von dem verzögerten Puls 100 bzw. der verzögerten Pulskombination 100 beeinflusst wird. The combined temporal intensity profile 96 of FIG. 7 is then obtained by superimposing the (combined) intensity profiles 98, 100. As shown in FIG. 7, the pulse widths and delays are selected so that the leading pulse 98 or the leading one Pulse combination 98 is superimposed with the following pulse 100 or the following pulse combination 100. This creates a first maximum Ml which is practically not influenced by the delayed pulse 100 or the delayed pulse combination 100 (since the delayed pulse 100 or the delayed pulse combination 100 makes little or no contribution to the maximum Ml of the combined intensity loss 96) , and a second maximum M2, the position and characteristics of which are clearly influenced by the delayed pulse 100 or the delayed pulse combination 100.
Somit bildet sich ein vorhandener, variierender Zeit-Jitter zwischen dem ersten Puls 98 und dem zweiten, zeitverzögerten Puls 100 in einer variierenden Lage und Ausprägung des Maximums M2 ab, insbesondere in der Lage und Ausprägung des Maximums M2 von kombinierten Intensitätsverlauf 96 zu kombiniertem Intensitätsverlauf 96. Der Kristallisationsprozess kann auf diese Intensitätsveränderungen im kombinierten zeitlichen Verlauf mit Kornstrukturabweichungen, z.B. Abweichungen in der Korngröße, reagieren. An existing, varying time jitter between the first pulse 98 and the second, time-delayed pulse 100 is thus mapped in a varying position and form of the maximum M2, in particular in the position and form of the maximum M2 from the combined intensity profile 96 to the combined intensity profile 96 The crystallization process can be based on these changes in intensity in the combined course of time with grain structure deviations, eg Deviations in the grain size react.
Dabei kann bei der optischen Verzögerung durch Strahlteilung und Vorsehen einer optischen Verzögerungsstrecke, anders als bei der elektronischen Verzögerung, erreicht werden (beispielsweise in Kombination mit gepulsten Laserquellen mit einem möglichst kleinen Zeit-Jitter), dass der vorauseilende Puls 98 und der verzögerte Puls 100 einen praktisch identischen Zeit-Jitter aufweisen. Dadurch wird bei einer Überlagerung der Pulse 98, 100 bzw. der Pulskombinationen 98, 100 eine Schwankung des Intensitätsverlaufs minimiert und eine homogene Umwandlung der amorphen Halbleiterschicht in eine polykristalline Halbleiterschicht auf großen Flächen erreicht. With the optical delay by beam splitting and the provision of an optical delay path, unlike the electronic delay, it can be achieved (for example in combination with pulsed laser sources with the smallest possible time jitter) that the leading pulse 98 and the delayed pulse 100 have a practically identical time jitter. As a result, when the pulses 98, 100 or the pulse combinations 98, 100 are superimposed, a fluctuation in the intensity profile is minimized and a homogeneous conversion of the amorphous semiconductor layer into a polycrystalline semiconductor layer is achieved over large areas.
Um eine typische zeitliche Verzögerung von 20 ns eines zweiten Pulses 100 gegenüber eines ersten Pulses 98 zu erreichen, ist ein zusätzlicher optischer Weg von ca.To achieve a typical time delay of 20 ns for a second pulse 100 compared to a first pulse 98, an additional optical path of approx.
6 m nötig. Dieser zusätzliche optische Weg kann beispielweise mithilfe eines langbrennweitigen sphärischen Teleskops erreicht werden, das in der Verzögern ngsstre- cke (beispielsweise im Strahlengang des zweiten Teilstrahls 60 der Fig. 4) 6 m necessary. This additional optical path can be achieved, for example, with the aid of a long focal length spherical telescope, which is located in the deceleration path (for example in the beam path of the second partial beam 60 of FIG. 4).
angeordnet ist und konjugierte Ebenen am Ein- und Ausgang der Verzögerungsstrecke aufweist. Auf diese Weise kann der Laserstrahl (Teilstrahl 60 der Fig. 4) über eine große Wegstrecke kontrolliert abgebildet werden. Für eine 1 : 1 Abbildung kann beispielweise ein Teleskop vorgesehen werden, bei dem die Brennweite des Objek- tivs identisch ist mit der Brennweite des Okulars. Die Verzögerungsstrecke kann ferner so ausgebildet sein, dass sie (deren Länge) veränderbar ist, beispielsweise mithilfe von verschiebbar angeordneten Umlenkelementen wie Spiegeln. Dadurch kann eine für den Kristallisationsprozess optimale Pulslänge eingestellt werden. Anstatt den zeitlich verzögerten Laserstrahl bzw. Laserpuls durch Strahlteilung und anschließende optische Verzögerung zu erhalten, ist es gemäß der Offenbarung auch vorgesehen, eine UV-Laserquelle zu benutzen, bei der aus einer IR-Quelle zwei UV- Laserstrahlen durch die Erzeugung der dritten harmonischen Wellenlänge (343 nm) aus einem IR-Laserstrahl (1030 nm) gewonnen wird. Eine derartige UV-Laserquelle nutzt die nicht gewandelte IR Pulsenergie (typisch 50%) im ersten SHG („second harmonic generation")/THG („third harmonic generation") Kristall in einem zweiten SHG/THG Kristall, um den zweiten UV-Laserstrahl zu erzeugen. Diese beiden UV- Strahlen haben keinen variierenden Zeit-Jitter zueinander. Einer der beiden UV- Laserstrahlen kann dann wie oben beschrieben optisch verzögert werden, beispiels- weise mithilfe eines langbrennweitigen sphärischen Teleskops. Bei dieser Lösung ist also keine Strahlteilung notwendig. is arranged and has conjugate levels at the input and output of the delay line. In this way, the laser beam (partial beam 60 of FIG. 4) can be imaged in a controlled manner over a large distance. For a 1: 1 image, for example, a telescope can be provided in which the focal length of the lens is identical to the focal length of the eyepiece. The delay path can also be designed in such a way that it (its length) can be changed, for example with the aid of displaceably arranged deflection elements such as mirrors. In this way, a pulse length that is optimal for the crystallization process can be set. Instead of obtaining the time-delayed laser beam or laser pulse by beam splitting and subsequent optical delay, the disclosure also provides for a UV laser source to be used in which two UV laser beams are generated from an IR source by generating the third harmonic wavelength (343 nm) is obtained from an IR laser beam (1030 nm). Such a UV laser source uses the unconverted IR pulse energy (typically 50%) in the first SHG ("second harmonic generation") / THG ("third harmonic generation") crystal in a second SHG / THG crystal to generate the second UV laser beam to create. These two UV rays do not have any varying time jitter to one another. One of the two UV laser beams can then be optically delayed as described above, for example with the aid of a long-focal spherical telescope. With this solution, no beam splitting is necessary.
Es hat sich ferner gezeigt, dass die Ausbildung der periodischen Struktur in der langen Achse umso besser gelingt, je kleiner die Winkelverteilung des Laserlichts in der langen Achse im verzögerten Puls 100 ist. Man nimmt an, dass dies auf die oben bezüglich des LIPPS-Effekts erklärte Abhängigkeit der periodischen Pulsenergiedichteverteilung aufgrund der entstehenden Interferenz entlang der Oberfläche zu- rückzuführen ist (l/(1 ± sine), wobei Q der Einfallswinkel zur Oberflächennormalen ist), die umso weniger variiert, also schärfer ist, je kleiner die Winkelverteilung des einfallenden Lichts ist. Die Strahlen im verzögerten Puls sind in Richtung der langen Achse linear polarisiert. Deswegen wird die Verzögerung bevorzugt für solche Laser- strahlen eingestellt, die nah an der optischen Achse abgebildet werden. Im Umkehrschluss heißt dies, dass die entfernt von der optischen Achse abgebildeten Strahlen hauptsächlich Strahlen des vorauseilenden Pulses mit Polarisation senkrecht zur langen Achse sein sollen. It has also been shown that the formation of the periodic structure in the long axis is more successful the smaller the angular distribution of the laser light in the long axis in the delayed pulse 100. It is assumed that this is due to the dependence of the periodic pulse energy density distribution explained above with regard to the LIPPS effect due to the resulting interference along the surface. is to be returned (l / (1 ± sine), where Q is the angle of incidence to the surface normal), which varies less, i.e. is sharper, the smaller the angular distribution of the incident light. The rays in the delayed pulse are linearly polarized in the direction of the long axis. For this reason, the delay is preferably set for laser beams that are imaged close to the optical axis. Conversely, this means that the rays imaged at a distance from the optical axis should mainly be rays of the leading pulse with polarization perpendicular to the long axis.
Referenzen (1) bis (4): References (1) to (4):
(1) P. van der Wilt, "Excimer-LASER Annealing: Microstructure Evolution and a Novel Characterization Technique, SID 2014 Digest pl94 (1) P. van der Wilt, "Excimer-LASER Annealing: Microstructure Evolution and a Novel Characterization Technique, SID 2014 Digest pl94
(2) S. Horita, H. Kaki, K. Nishioka,„Surface modification of an amorphous Si thin film crystallized by a linear polarized Nd:YAG pulse laser beam", Journal of Applied Physics 102, 013501 (2007) (2) S. Horita, H. Kaki, K. Nishioka, "Surface modification of an amorphous Si thin film crystallized by a linear polarized Nd: YAG pulse laser beam", Journal of Applied Physics 102, 013501 (2007)
(3) H.M van Driel, J.E. Sipe, and J.F. Young, "Laser-Induced Periodic Surface (3) H.M van Driel, J.E. Sipe, and J.F. Young, "Laser-Induced Periodic Surface
Structure on Solids: A Universal Phenomenon", Phys. Rev. Lett. 49, 1955-1958 Structure on Solids: A Universal Phenomenon ", Phys. Rev. Lett. 49, 1955-1958
(1982) and S.E. Clark and D.C. Emmony, "Ultravioletlaser-induced periodic surface structures", Phys. Rev. B 40, 2031-2041 (1989) (1982) and S.E. Clark and D.C. Emmony, "Ultraviolet laser-induced periodic surface structures", Phys. Rev. B 40, 2031-2041 (1989)
(4) J. F. Young, J. S. Preston, H. M. van Driel, and J. E. Sipe, "Laser-induced periodic surface structure. II. Experiments on Ge, Si, AI, and brass", Phys. Rev. B 27, 1155-1172 (1983). (4) J. F. Young, J. S. Preston, H. M. van Driel, and J. E. Sipe, "Laser-induced periodic surface structure. II. Experiments on Ge, Si, AI, and brass", Phys. Rev. B 27, 1155-1172 (1983).

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbieiterschicht, mit den folgenden Schritten: 1. A method for processing a semiconductor material layer, in particular for producing a crystalline semiconductor layer, with the following steps:
Bereitstellen eines ersten Laserstrahls (74) mit einem ersten Laserpuls (76) und eines zweiten Laserstrahls (84) mit einem zweiten Laserpuls (86), Providing a first laser beam (74) with a first laser pulse (76) and a second laser beam (84) with a second laser pulse (86),
Umformen des ersten Laserpulses (76) und des zweiten Laserpulses (86), anhand einer Strahlformungseinrichtung (32), in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform, Reshaping the first laser pulse (76) and the second laser pulse (86) by means of a beam shaping device (32) into a laser pulse with a short axis and a long axis in line form,
Abbilden des so geformten Laserpulses in Linienform, anhand einer Abbildungseinrichtung (34), als eine Beleuchtungslinie (36) mit einer kurzen Achse und einer langen Achse auf der Halbleitermaterialschicht (12), Imaging of the laser pulse thus formed in line form, using an imaging device (34), as an illumination line (36) with a short axis and a long axis on the semiconductor material layer (12),
wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist the method further comprising the steps of
Einstellen einer Polarisationsrichtung des ersten Laserpulses (76) in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie (36), Setting a polarization direction of the first laser pulse (76) in the direction of the short axis of the illumination line (36),
Einstellen einer Polarisationsrichtung des zweiten Laserpulses (86) in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie (36), und Setting a polarization direction of the second laser pulse (86) in the direction of the long axis of the illumination line (36), and
zeitliches Verzögern des zweiten Laserpulses (86) bezüglich des ersten Laserpulses (76) um ein vorbestimmtes Zeitintervall At, das so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht (12) abgebildete Beleuchtungslinie (36) einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf (96) in der Form eines Pulses mit einem ersten Maximum (Ml) und einem zweiten Maximum (M2) aufweist. time delay of the second laser pulse (86) with respect to the first laser pulse (76) by a predetermined time interval At, which is selected such that the illumination line (36) imaged on the semiconductor material layer (12) has a combined temporal intensity profile (96) in the form of a Has pulse with a first maximum (Ml) and a second maximum (M2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend 2. The method of claim 1, comprising
Bewegen der Beleuchtungslinie (36) relativ zu der Halbleitermaterialschicht (12) in einer Vorschubrichtung, wobei der erste Laserpuls (76) in der Vorschubrichtung linear-polarisiert ist. Moving the line of illumination (36) relative to the semiconductor material layer (12) in a feed direction, the first laser pulse (76) being linearly polarized in the feed direction.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die relative Intensität des ersten Laserpulses (76) und des zweiten Laserpulses (86) so gewählt ist, dass das Verhältnis von dem ersten Maximum (Ml) zu dem zweiten Maximum (M2) in dem kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf (96) im Bereich von 0,8 bis 1,4, insbesondere im Bereich von 0,9 bis 1,2 liegt, insbesondere 1,0 ist. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the relative intensity of the first laser pulse (76) and the second laser pulse (86) is selected so that the ratio of the first maximum (Ml) to the second maximum (M2) in the combined The time intensity curve (96) is in the range from 0.8 to 1.4, in particular in the range from 0.9 to 1.2, in particular 1.0.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der kombinierte zeitliche Intensitätsverlauf (96) der Beleuchtungslinie (36) eine zeitliche Halbwertsbreite (102), bezogen auf das erste Maximum des kombinierten zeitlichen Intensitätsverlaufs, zwischen 40 und 50 ns aufweist. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the combined temporal intensity curve (96) of the illumination line (36) has a temporal half-width (102), based on the first maximum of the combined temporal intensity curve, between 40 and 50 ns.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend 5. The method according to any one of the preceding claims, comprising
Bereitstellen eines ersten Lasers (66) und eines zweiten Lasers (70), die dazu ausgebildet sind, jeweils den ersten Laserstrahl (74) und den zweiten Laserstrahl (84) zu emittieren, und die so gesteuert werden, dass der zweite Laserpuls (86) um das Zeitintervall At verzögert zu dem ersten Laserpuls (76) emittiert wird. Provision of a first laser (66) and a second laser (70), which are designed to emit the first laser beam (74) and the second laser beam (84), and which are controlled in such a way that the second laser pulse (86) is emitted delayed by the time interval At to the first laser pulse (76).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend 6. The method according to any one of claims 1 to 4, comprising
Bereitstellen eines ersten Lasers, der dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl (52) mit einem Puls bereitzustellen, Providing a first laser which is designed to provide a laser beam (52) with a pulse,
Aufteilen des Laserstrahls (52) in einen ersten Laserstrahlanteil (58) und in einen zweiten Laserstrahlanteil (60), wobei der erste Laserstrahlanteil (58) den ersten Laserstrahl (74) mit dem ersten Laserpuls (76) bildet und der zweite Laserstrahlanteil (60) den zweiten Laserstrahl (84) mit dem zweiten Laserpuls (86) bildet. Splitting the laser beam (52) into a first laser beam component (58) and a second laser beam component (60), the first laser beam component (58) forming the first laser beam (74) with the first laser pulse (76) and the second laser beam component (60) forms the second laser beam (84) with the second laser pulse (86).
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei 7. The method of claim 6, wherein
die optische Weglänge des zweiten Laserstrahlanteils (60) von einem Ort der Strahlteilung bis zu der Halbleitermaterialschicht (12) größer ist als die optische Weglänge des ersten Laserstrahlanteils (58) von dem Ort der Strahlteilung bis zu der Halbleitermaterialschicht (12). the optical path length of the second laser beam component (60) from a point of beam splitting to the semiconductor material layer (12) is greater than the optical path length of the first laser beam component (58) from the point of beam splitting to the semiconductor material layer (12).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 8. The method according to any one of the preceding claims,
wobei der erste Laserpuls (76) ein Laserpuls von einer Vielzahl von ersten Laserpulsen des ersten Laserstrahls (74) ist und der zweite Laserpuls (86) ein Laserpuls von einer Vielzahl von zweiten Laserpulsen des zweiten Laserstrahls (84) ist, und wobei jeder der Vielzahl von Laserpulsen des zweiten gepulsten Laserstrahls (84) jeweils zeitlich verzögert bezüglich eines anderen der Vielzahl von Laserpulsen des ersten gepulsten Laserstrahls (74) um das vorbestimmte Zeitintervall At ist. wherein the first laser pulse (76) is one of a plurality of first laser pulses of the first laser beam (74) and the second laser pulse (86) is one of a plurality of second laser pulses of the second laser beam (84), and each of the plurality of laser pulses of the second pulsed laser beam (84) each time delayed with respect to another of the plurality of laser pulses of the first pulsed laser beam (74) by the predetermined time interval At.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bezogen auf einen der Ansprüche 2 bis 7, 9. The method according to claim 8, based on one of claims 2 to 7,
wobei die Vorschubgeschwindigkeit, eine Pulswiederholrate des ersten Laser strahls (74) und des zweiten Laserstrahls (84) und eine geometrische Halbwertsbrei te der Beleuchtungslinie (36) in Richtung der kurzen Achse so gewählt werden, dass eine Stelle der Halbleitermaterialschicht (12) mehrmals von einer Beleuchtungslinie (36) belichtet wird. wherein the feed rate, a pulse repetition rate of the first laser beam (74) and the second laser beam (84) and a geometric half width of the illumination line (36) in the direction of the short axis are selected so that a point of the semiconductor material layer (12) is exposed several times by an illumination line (36).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend 10. The method according to any one of the preceding claims, comprising
- Bereitstellen eines dritten Laserstrahls (78) mit einem dritten Laserpuls - Providing a third laser beam (78) with a third laser pulse
(80) und eines vierten Laserstrahls (88) mit einem vierten Laserpuls (90), (80) and a fourth laser beam (88) with a fourth laser pulse (90),
Umformen des ersten Laserpulses (76), des zweiten Laserpulses (86), des dritten Laserpulses (80) und des vierten Laserpulses (90), anhand der Strahlformungseinrichtung (32), in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisen- den Laserpuls in Unienform, Transforming the first laser pulse (76), the second laser pulse (86), the third laser pulse (80) and the fourth laser pulse (90) using the beam shaping device (32) into a laser pulse with a short axis and a long axis in Uniform shape,
Abbilden des so geformten Laserpulses in Linienform, anhand der Abbildungseinrichtung (36), als die Beleuchtungslinie (36) mit einer kurzen Achse und einer langen Achse auf der Halbleitermaterialschicht (12), Imaging of the laser pulse thus formed in line form, using the imaging device (36), as the illumination line (36) with a short axis and a long axis on the semiconductor material layer (12),
wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist the method further comprising the steps of
- Einstellen einer Polarisationsrichtung des dritten Laserpulses (80) in - Setting a polarization direction of the third laser pulse (80) in
Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie (36), Direction of the short axis of the lighting line (36),
Einstellen einer Polarisationsrichtung des vierten Laserpulses (90) in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie (36), und Setting a polarization direction of the fourth laser pulse (90) in the direction of the long axis of the illumination line (36), and
zeitliches Verzögern des vierten Laserpulses (90) bezüglich des dritten Laserpulses (80) um ein vorbestimmtes Zeitintervall At, das so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht (12) abgebildete Beleuchtungslinie (26) einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf (96) in der Form eines Pulses mit einem ersten Maximum (Ml) und einem zweiten Maximum (M2) aufweist. 11. Optisches System (30) zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht (12), insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, umfassend: time delay of the fourth laser pulse (90) with respect to the third laser pulse (80) by a predetermined time interval At, which is selected so that the illumination line (26) imaged on the semiconductor material layer (12) has a combined temporal intensity profile (96) in the form of a Has pulse with a first maximum (Ml) and a second maximum (M2). 11. Optical system (30) for processing a semiconductor material layer (12), in particular for producing a crystalline semiconductor layer, comprising:
eine Strahlformungseinrichtung (32), die dazu eingerichtet ist, einen ersten Laserpuls (76) eines ersten Laserstrahls (74, 38) und einen zweiten Laserpuls (86) eines zweiten Laserstrahls (84, 40) in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform umzuformen, a beam shaping device (32) which is set up to convert a first laser pulse (76) of a first laser beam (74, 38) and a second laser pulse (86) of a second laser beam (84, 40) into one having a short axis and a long axis To transform the laser pulse into line form,
eine Abbildungseinrichtung (34), die dazu eingerichtet ist, den so geformten Laserpuls in Linienform als eine Beleuchtungslinie (36) mit einer kurzen Achse und einer langen Achse auf der Halbleitermaterialschicht (12) abzubilden, wobei das optische System (30) ferner umfasst an imaging device (34) which is configured to image the laser pulse thus formed in line form as an illumination line (36) with a short axis and a long axis on the semiconductor material layer (12), the optical system (30) further comprising
- eine Polarisationseinrichtung (50), die dazu eingerichtet und angeordnet ist, eine Polarisationsrichtung des ersten Laserpulses (76) in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie (36) auszurichten und eine Polarisationsrichtung des zweiten Laserpulses (86) in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie (36) auszurichten, sowie - A polarization device (50) which is set up and arranged to align a polarization direction of the first laser pulse (76) in the direction of the short axis of the illumination line (36) and a polarization direction of the align the second laser pulse (86) in the direction of the long axis of the illumination line (36), and
eine Verzögerungseinrichtung (94), die dazu eingerichtet ist, den zweiten Laserpuls (86) bezüglich des ersten Laserpulses (76) um ein vorbestimmtes Zeitintervall At zu verzögern, das so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht (12) abgebildete Beleuchtungslinie (36) einen kombinierten zeitlichen a delay device (94) which is set up to delay the second laser pulse (86) with respect to the first laser pulse (76) by a predetermined time interval At which is selected such that the illumination line (36) imaged on the semiconductor material layer (12) a combined temporal
Intensitätsverlauf (96) in der Form eines Pulses mit einem ersten Maximum (Ml) und einem zweiten Maximum (M2) aufweist. Intensity curve (96) in the form of a pulse with a first maximum (Ml) and a second maximum (M2).
12. Optisches System (30) nach Anspruch 11, 12. Optical system (30) according to claim 11,
wobei die Polarisationseinrichtung wherein the polarization device
eine erste l/2 Platte (50) umfasst, die im Strahlengang des ersten Laserstrahls (74, 38), insbesondere vor der Strahlumformungseinrichtung (32), angeordnet ist, und so bezüglich des auf die l/2 Platte (50) auftreffenden ersten comprises a first 1/2 plate (50), which is arranged in the beam path of the first laser beam (74, 38), in particular in front of the beam shaping device (32), and so with respect to the first one impinging on the 1/2 plate (50)
Laserpulses (76) orientiert ist, dass der erste Laserpuls (76) nach dem Durchlaufen der l/2 Platte (50) in Richtung der kurzen Achse iinear-polarisiert ist, und Laser pulse (76) is oriented so that the first laser pulse (76) is iinear-polarized after passing through the ½ plate (50) in the direction of the short axis, and
eine zweite l/2 Platte (50) umfasst, die im Strahlengang des zweiten Laserstrahls (84, 40), insbesondere vor der Strahlumformungseinrichtung (32), angeordnet ist, und so bezüglich des auf die l/2 Platte (50) auftreffenden zweiten Laserpulses (86) orientiert ist, dass der zweite Laserpuls (86) nach dem Durchlaufen der l/2 Platte (50) in Richtung der langen Achse Iinear-polarisiert ist. comprises a second 1/2 plate (50) which is arranged in the beam path of the second laser beam (84, 40), in particular in front of the beam shaping device (32), and so with respect to the second laser pulse impinging on the 1/2 plate (50) (86) is oriented so that the second laser pulse (86) is linearly polarized in the direction of the long axis after passing through the 1/2 plate (50).
13. Optisches System (30) nach Anspruch 11 oder 12, 13. Optical system (30) according to claim 11 or 12,
wobei die Verzögerungseinrichtung eine Verzögerungsschaltung (94) umfasst, die ein Triggersignal (92) eines zweiten Lasers (70), der dazu eingerichtet ist, den zweiten Laserstrahl (84, 40) mit dem zweiten Laserpuls (86) zu emittieren, um das Zeitintervall At bezüglich eines Triggersignals (82) eines ersten Lasers (66) zu verzögern, wobei der erste Laser (66) dazu eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl (74) mit dem ersten Laserpuls (76) zu emittieren. wherein the delay device comprises a delay circuit (94) which receives a trigger signal (92) of a second laser (70) which is set up to emit the second laser beam (84, 40) with the second laser pulse (86) in order to set the time interval At with respect to a trigger signal (82) of a first laser (66), wherein the first laser (66) is set up to emit the first laser beam (74) with the first laser pulse (76).
14. Optisches System (30) nach Anspruch 11 oder 12, 14. Optical system (30) according to claim 11 or 12,
wobei die Verzögerungseinrichtung einen Strahlumweg (As) umfasst, der bewirkt, dass die optische Weglänge des zweiten Laserstrahls (84, 40) bis zu der Bildebene der Halbleitermaterialschicht (12) größer ist als die optische Weglänge des ersten Laserstrahls (74, 38) bis zu der Bildebene der Halbleitermaterialschicht (12). wherein the delay device comprises a beam detour (As) which causes the optical path length of the second laser beam (84, 40) up to the image plane of the semiconductor material layer (12) to be greater than the optical path length of the first laser beam (74, 38) up to the image plane of the semiconductor material layer (12).
15. Optisches System (30) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, 15. Optical system (30) according to one of claims 11 to 14,
wobei die Strahlformungseinrichtung (32) dazu eingerichtet ist, den ersten Laserpuls (76) des ersten Laserstrahls (74), den zweiten Laserpuls (86) des zweiten Laserstrahls (84), einen dritten Laserpuls (80) eines dritten Laserstrahls (78) und einen vierten Laserpuls (90) eines vierten Laserstrahls (88) in einen eine kurze Achse und eine lange Achse aufweisenden Laserpuls in Linienform umzuformen, wherein the beam shaping device (32) is set up to generate the first laser pulse (76) of the first laser beam (74), the second laser pulse (86) of the second laser beam (84), a third laser pulse (80) of a third laser beam (78) and a to convert the fourth laser pulse (90) of a fourth laser beam (88) into a laser pulse having a short axis and a long axis in line form,
wobei die Abbildungseinrichtung (34) dazu eingerichtet ist, den so geformten Laserpuls in Linienform als die Beleuchtungslinie (36) mit einer kurzen Achse und einer langen Achse auf der Halbleitermaterialschicht (12) abzubilden, wherein the imaging device (34) is set up to image the laser pulse thus formed in line form as the illumination line (36) with a short axis and a long axis on the semiconductor material layer (12),
wobei die Polarisationseinrichtung (50) dazu eingerichtet und angeordnet ist, eine Polarisationsrichtung des dritten Laserpuls (80) in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie (36) auszurichten und eine Polarisationsrichtung des vierten Laserpulses (90) in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie (36) auszurichten, und wobei wherein the polarization device (50) is set up and arranged to align a polarization direction of the third laser pulse (80) in the direction of the short axis of the illumination line (36) and a polarization direction of the fourth laser pulse (90) in the direction of the long axis of the illumination line (36) align, and where
die Verzögerungseinrichtung (94) dazu eingerichtet ist, den vierten Laserpuls (90) bezüglich des dritten Laserpulses (80) um ein vorbestimmtes Zeitintervall At zu verzögern, das so gewählt ist, dass die auf der Halbleitermaterialschicht (12) abgebildete Beleuchtungslinie (36) einen kombinierten zeitlichen Intensitätsverlauf (96) in der Form eines Pulses mit einem ersten Maximum (Ml) und einem zweiten Maximum (M2) aufweist. the delay device (94) is set up to delay the fourth laser pulse (90) with respect to the third laser pulse (80) by a predetermined time interval At, which is selected such that the illumination line (36) imaged on the semiconductor material layer (12) combined one time intensity curve (96) in the form of a pulse with a first maximum (Ml) and a second maximum (M2).
16. Anlage zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht (12), insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, umfassend 16. System for processing a semiconductor material layer (12), in particular for producing a crystalline semiconductor layer, comprising
ein optisches System (30) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, an optical system (30) according to any one of claims 11 to 15,
wobei die Anlage dazu ausgebildet ist, die Halbleitermaterialschicht (12) relativ zu der Beleuchtungslinie (36) in einer Vorschubrichtung zu bewegen, wobei die Vorschubrichtung der Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie (36) entspricht. wherein the system is designed to move the semiconductor material layer (12) relative to the illumination line (36) in a feed direction, the feed direction corresponding to the direction of the short axis of the illumination line (36).
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