WO2022248209A1 - Vorrichtung zum erzeugen einer definierten laserbeleuchtung auf einer arbeitsebene - Google Patents

Vorrichtung zum erzeugen einer definierten laserbeleuchtung auf einer arbeitsebene Download PDF

Info

Publication number
WO2022248209A1
WO2022248209A1 PCT/EP2022/062593 EP2022062593W WO2022248209A1 WO 2022248209 A1 WO2022248209 A1 WO 2022248209A1 EP 2022062593 W EP2022062593 W EP 2022062593W WO 2022248209 A1 WO2022248209 A1 WO 2022248209A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
illumination
optical axis
working plane
along
laser
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/062593
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Heimes
Daniel FLAMM
Original Assignee
Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh filed Critical Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
Priority to CN202280037536.3A priority Critical patent/CN117377893A/zh
Priority to JP2023573027A priority patent/JP2024520476A/ja
Priority to KR1020237042445A priority patent/KR20240006068A/ko
Publication of WO2022248209A1 publication Critical patent/WO2022248209A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G02B3/0062—Stacked lens arrays, i.e. refractive surfaces arranged in at least two planes, without structurally separate optical elements in-between

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating a defined laser illumination on a working plane, with a laser light source that is set up to generate a raw laser beam with a first angular spectrum, and with an optical arrangement that receives the raw laser beam and along it an optical axis to form an illumination beam, the illumination beam defining a beam direction that intersects the working plane, the optical arrangement having at least two microlens arrays which are arranged at a defined distance from one another along the optical axis, and the defined Distance is chosen so that the illumination beam in the working plane has an illumination beam profile that includes a variety of separate lighting spots.
  • a defined laser illumination on a working plane is often required in order to process workpieces.
  • the workpiece can, for example, a plastic material on a Be glass plate, which serves as a carrier.
  • the plastic material can be a film, for example, on which organic light-emitting diodes, so-called OLEDs, and/or thin-film transistors are produced.
  • OLED films are increasingly being used for displays in smartphones, tablets, televisions and other screen display devices.
  • the film must be detached from the glass carrier. This can advantageously be done with laser lighting, which is moved at a defined speed relative to the glass plate and in doing so detaches the adhesion border connection of the film through the glass plate.
  • the laser illumination can be a thin laser line. Such an application is often referred to as LLO or Laser Lift Off in practice.
  • Another application in which a workpiece is illuminated with a defined laser line can be the line-by-line melting of amorphous silicon on a carrier plate.
  • the laser line is moved at a defined speed relative to the workpiece surface.
  • the comparatively inexpensive amorphous silicon can be converted into higher-quality polycrystalline silicon.
  • Such an application is often referred to in practice as excimer laser annealing or ELA.
  • ELA excimer laser annealing
  • the amorphous silicon on the carrier plate is almost completely melted and crystallizes in a vertical direction as it cools.
  • the process is very energy-intensive and the processing window for the silicon is very small and places high demands on the homogeneity and power stability of the laser line.
  • An alternative method for converting amorphous silicon on a carrier plate into higher quality polycrystalline silicon is known from two publications by Ludolf Herbst, Frank Simon et al. known, namely "Advances in excimer laser annealing for LTPS manufacturing", 49-3 IMID 2009 DIGEST and "17-4: New Technology for Creation of LTPS with Excimer Laser Annealing", Asia Display/IMID 04 Proceedings.
  • the alternative method is called Sequential Lateral Solidification or SLS and uses a structured laser beam with which the amorphous silicon is selectively melted locally, with crystal formation in the lateral direction starting from the unmelted neighboring areas.
  • a periodic structure is created on the processing surface with the help of a mask in the beam path of the laser.
  • LIFT Laser Induced Forward Transfer
  • pLEDs micro-LEDs
  • WO 2018/019374 A1 discloses a device with which a defined laser line can be generated on a working plane.
  • the device includes a collimator that collimates a raw laser beam, as well as a beam transformer, a homogenizer and a focusing stage.
  • the beam transformer takes the collimated raw beam and expands it in a direction transverse to the beam direction.
  • the beam transformer can also accept several raw laser beams from several laser sources and combine them into an expanded laser beam with higher power.
  • the homogenizer can have one or more multi-lens arrays, with which the expanded laser beam is homogenized in the long direction, so that it obtains an intensity profile that is as rectangular as possible (tophat-shaped) in the long axis.
  • the focussing stage focuses the reshaped laser beam on a defined position in the area of the working plane.
  • the known device is generally suitable for LLO and SLA applications. However, it is not optimal for some special LLO applications, such as solving pLEDs. In such a case, it would be desirable to provide a plurality of separate, each tophat-shaped, intensity profiles. For example, an arrangement may be desired in which a large number of separate tophat-shaped intensity profiles are arranged equidistantly next to one another along a line. The device from WO 2018/019374 A1 does not offer such laser illumination.
  • DE 102018211 972 B4 mentioned at the outset discloses an optical arrangement for generating a beam profile with a multiplicity of separate illumination spots which are distributed along a line or over an area.
  • the arrangement includes a plurality of microlens arrays with microlenses arranged next to one another, each of which has a uniform aperture a, and a subsequent Fourier lens arrangement.
  • the optical arrangement has an adjustment mechanism with which a mutual distance between at least some of the microlens arrays can be adjusted. This is the effective Adjustable focal length of all microlens arrays.
  • the adjustment mechanism has several selectable adjustment positions at which the ratio is at least approximately a natural number, where a is the uniform aperture of the individual microlenses, l is the mean wavelength of the laser beam and fiuu is the effective focal length f ML of the entirety of the microlens arrays set by the adjustment position i.
  • the known arrangement makes it possible to vary the number of illumination spots generated from a laser beam, with a uniform intensity distribution being obtained.
  • the respective intensity profile of the laser lighting on the working plane at the separate lighting spots cannot be further varied.
  • a device of the type mentioned at the outset in which the optical arrangement also has a beam-shaping element which is arranged along the optical axis in front of the at least two microlens arrays, the beam-shaping element having a second angular spectrum generated, which is different from the first angular spectrum.
  • Beam shaping in front of the micro lens arrays can be used very advantageously in order to be able to further vary the beam profile in the area of the working plane.
  • Beam shaping in front of the microlens arrays is cost-effective and efficient because it has a "central" effect on the laser beam before it is divided into several partial beams with the help of the microlens arrays.
  • "Before Microlens arrays” means here that the beam-shaping element is arranged along the optical axis between the laser light source and the at least two microlens arrays, with the aid of which the separate illumination spots are generated. The beam-shaping element is therefore located upstream of the at least two microlens arrays.
  • each of the illumination spots generated with the aid of the microlens arrays represents the angle spectrum of the microlens illumination.
  • Far-field beam shaping can therefore advantageously be carried out early in the beam path and thus in front of the microlens arrays.
  • the laser beam having a desired second angular spectrum is efficiently split using the microlens arrays and the desired second angular spectrum is multiplied into a plurality of separate illumination spots.
  • the new device therefore has a further degree of freedom with regard to the generation of a large number of illumination spots.
  • the angular spectrum of the illumination spots can be adjusted with the aid of beam shaping in front of the microlens arrays. This makes it possible, in particular, to vary or adjust the respective extent and shape of the lighting spots on the working plane. The above task is completely solved.
  • the second angle spectrum has a tophat-shaped intensity profile.
  • a tophat-shaped intensity profile is advantageous for many applications, since it sharply delimits a machining point on the working plane. It enables filigree processing and/or the creation of fine structures and is particularly suitable for simultaneous surface processing in a confined space, such as local melting or local cutting processes at a large number of processing points.
  • the central beam shaping in front of the microlens arrays is used to advantage here in order to generate a uniform, tophat-shaped intensity profile for a large number of illumination spots.
  • the first angular spectrum has a first footprint in a plane perpendicular to the optical axis and the second angular spectrum has a second footprint in a further plane perpendicular to the optical axis, which is different from the first footprint.
  • the footprint represents the outline of an illumination spot generated with the laser beam. It therefore represents in particular the geometric shape of the lighting spot on a plane perpendicular to the beam direction or perpendicular to the optical axis. It also represents the surface area of the generated lighting spot on the plane. In preferred exemplary embodiments, the first footprint and the second footprint can therefore differ from one another with regard to the respective geometric shape and/or with regard to the surface area. The design makes it possible to adjust the extent and shape of the lighting spots on the working plane in an efficient manner.
  • the second footprint is polygonal, in particular rectangular, pentagonal, hexagonal or octagonal.
  • the second footprint has an aspect ratio (maximum length to maximum width) that is in the range of 1, in particular in the interval between 0.9 and 1.1, inclusive in each case. Accordingly, in some preferred embodiments, the second footprint may be square. The design enables a workpiece to be machined precisely and efficiently in numerous applications and benefits in particular from the new degree of freedom that the new device offers in an efficient manner.
  • the optical arrangement has an adjustment mechanism with which at least one microlens array of the at least two microlens arrays can be adjusted along the optical axis.
  • the optical arrangement preferably has a Fourier lens arrangement which is arranged along the optical axis after the microlens arrays. [0018] With the aid of the adjustment mechanism, the distance between the at least two microlens arrays can be adjusted selectively and variably. This configuration thus enables variable adjustment of the number of separate lighting spots on the work plane.
  • the adjustment mechanism has a number of selectable adjustment positions at which the ratio
  • a is the uniform aperture of the individual microlenses of the microlens arrays
  • l is the mean wavelength of the raw laser beam
  • f ML is the effective focal length f ML of the entirety of the microlens arrays set by the respective adjustment position i .
  • At least approximately means here that the ratio lies in an interval from 0.8N to 1.2N, inclusive in each case, with Ni being the respective natural number.
  • the beam-shaping element includes a beam transformer, which widens the raw laser beam in a direction transverse to the optical axis.
  • the beam transformer can contain a Powell lens.
  • the beam transformer can contain a glass body that is mirrored on opposite surfaces, so that a laser beam entering at an angle is reflected back and forth multiple times in the glass body and thereby in one direction is expanded.
  • a Powell lens is a lens that can produce a linear beam profile with a largely homogeneous intensity distribution along the line from a rotationally symmetrical Gaussian intensity distribution. Perpendicular to this, the Gaussian intensity distribution is retained.
  • the beam transformer can also be a beam transformer as described in WO 2018/019374 A1 mentioned at the outset, which is published here is incorporated by reference.
  • the beam-shaping element of this configuration enables a multiplicity of separate illumination spots along a defined line.
  • the line can be arranged obliquely but not orthogonally to the optical axis in order to generate a line-shaped beam profile obliquely to the beam direction of the illumination beam on the working plane.
  • the beam-shaping element contains a diffractive optical element (DOE).
  • DOE diffractive optical element
  • a diffractive optical element is a beam-shaping element that is based on the principle of light diffraction. It typically has a glass substrate on which diffraction structures are arranged. The diffraction structures cause interference. With a diffractive optical element, a desired second angle spectrum can be generated in a very varied manner and with high quality. In addition, most of the beam energy is used to illuminate the working area. For this reason, a diffractive optical element enables a particularly efficient implementation.
  • the beam-shaping element contains a spatial filter.
  • a spatial filter typically includes a lens and an aperture placed in the optical path behind the lens. With the help of the aperture, a desired second angular spectrum can be generated in a variety of ways.
  • the lens ensures that the aperture is efficiently illuminated. Therefore, a spatial filter in front of the microlens arrays enables very varied and cost-effective beam shaping.
  • the beam-shaping element can be selectively introduced into the optical axis.
  • the beam-shaping element is coupled here with an adjustment mechanism that makes it possible to introduce or remove the beam-shaping element either entirely or partially from the beam path of the optical arrangement remove.
  • the illumination beam profile can thus be selectively and specifically varied.
  • the device has a plurality of beam-forming elements, each of which is set up to generate a second angular spectrum, with the second angular spectra differing from one another.
  • one of several beam-shaping elements can be selectively introduced into the beam path of the optical arrangement.
  • the (respective) beam-shaping element of this configuration can be inserted and/or pivoted into the beam path of the optical arrangement.
  • Fig. 3 is a simplified and schematic representation of another Aust approximately example of the new device.
  • FIG. 4 shows an advantageous trajectory of a laser illumination when melting polycrystalline silicon according to some preferred exemplary embodiments.
  • the device 10 included a laser light source 12, which generates a raw laser beam 14 .
  • the laser light source 12 can include a collimator (not shown here), so that the raw laser beam 14 can be a collimated raw laser beam.
  • the raw laser beam 14 illuminates a first lens 16 and a subsequent second lens 18 which are arranged along an optical axis 20 .
  • a diaphragm 22 is arranged here along the optical axis 20 between the lenses 16 , 18 .
  • the diaphragm 22 forms a spatial filter 24 together with the lenses 16, 18.
  • the raw laser beam 14 has a first angle spectrum, which is indicated by the reference number 26 and is shown as a Gaussian intensity profile.
  • an (imaginary) plane 28 which is perpendicular to the optical axis 20, the raw laser beam 14 with the first angular spectrum 26 generates a circular footprint 30, for example here.
  • the laser beam after the lens 18 has a changed second angular spectrum 32, which is shown here as an example with a tophat-shaped intensity profile in a plane 34.
  • device 10 may have a 2f structure.
  • the level 34 can be in these Ausry approximately at a different location than in Fig. 1 for the sake of simplicity is illustrated.
  • the laser beam with the modified second angular spectrum 32 generates a second footprint 36 behind the lens 18, which is shown here as a square example.
  • the laser beam with the second angular spectrum 32 here illuminates an arrangement with at least two microlens arrays 38 , 40 which are arranged at a defined distance 42 from one another along the optical axis 20 .
  • Each microlens array 38, 40 be sitting a plurality of microlenses, which preferably each have the same aperture a.
  • the optical arrangement also has an adjustment mechanism 44, with which the relative distance 42 between the at least two microlin senarrays 38, 40 along the optical axis 20 can be changed.
  • the adjustment mechanism has several predefined adjustment positions, with each of which a distance 42 is set at which the ratio is at least approximately a natural number, where a is the uniform aperture of the individual microlenses of the microlens arrays 38, 40, l is the mean wavelength of the raw laser beam 14 and fiuu is the effective focal length f ML set by the respective adjustment position i of the entirety of the Microlens arrays is. At least approximately means here that the ratio lies in an interval from 0.8N to 1.2N, inclusive in each case, where Ni is the respective natural number.
  • the effective focal length f ML of the entirety of the micro lens arrays 38, 40 is changed.
  • the number of illumination spots 46 in the multi-spot beam profile 47 of the illumination beam 48 on the working plane 50 can be adjusted by suitably adjusting the distance accordingly to the above-mentioned ratio.
  • the working plane 50 is arranged perpendicularly to the beam direction 52 of the illumination beam 48 . However, it could also be at an angle to the beam direction 52 .
  • the device 10 uses microlens arrays 38, 40 in one of the arrangements disclosed in DE 102018211 972 B4, incorporated herein by reference.
  • the illumination spots 46 are arranged next to one another here along a line that runs transversely to the beam direction 52 (referred to here as the x-axis).
  • the multi-spot beam profile 47 can be moved transversely to the line of illumination spots 46 and transversely to the beam direction 52 relative to the working plane 50, as is explained in more detail below with reference to FIG.
  • Fig. 2 shows another embodiment of the new device, which is now designated by the reference numeral 10 '. Otherwise, the same reference symbols denote the same elements as before.
  • the device 10 has a beam transformer 54 which expands the raw laser beam in a direction transverse to the optical axis 20 .
  • the beam transformer may include a Powell lens.
  • the beam transformer can include a glass body with a front side 56 and a back side 58, which are each mirrored, so that the laser tube Beam 14 is reflected back and forth several times in the glass body and is expanded transversely to the optical axis 20 .
  • Such a beam transformer is described in the above-mentioned WO 2018/019374 A1, which is incorporated herein by reference.
  • the beam transformer can include a Powell lens.
  • the raw laser beam 14 is expanded here in a direction perpendicular to the optical axis 20 and in this case perpendicular to the viewing plane, so that the beam profile on the working plane 50 has linear structures perpendicular to the viewing plane.
  • the microlenses of the microlens arrays 38, 40 can be cylindrical lenses.
  • the microlenses of the microlens arrays 38, 40 can each be rotationally symmetrical lenses in a 2-dimensional lens array. Such an arrangement makes it possible to generate an illumination beam profile with a large number of illumination spots in a 2-dimensional arrangement.
  • a diffractive optical element is denoted by the reference numeral 60 here, which can optionally be inserted into the beam path of the (expanded) raw laser beam 14, i.e. at a position along the optical axis 20.
  • An alternative diffractive optical element is denoted by the reference number 60', which can be inserted into the beam path either instead of or in addition to the element 60.
  • the diffractive optical elements 60, 60' are coupled to an adjustment mechanism 62, 62'.
  • FIG. 3 shows another preferred exemplary embodiment of the new device, which is denoted here by the reference numeral 10′′. Otherwise, the same reference numerals denote the same elements as before.
  • FIG. 3 shows the beam shaping for the multi-spot beam profile 47 in the long axis, which is referred to here as the x-axis.
  • FIG. 3 shows the beam formation in the short axis, which is referred to here as the y-axis.
  • the device 10" has a spatial filter 24 corresponding to the exemplary embodiment in FIG. 1.
  • the device 10" could have a DOE corresponding to the exemplary embodiment in FIG.
  • the raw laser beam with the modified angular spectrum hits a beam transformer 54 here, which widens the raw laser beam in the long axis.
  • the laser beam expanded in the x-axis illuminates the microlens arrays 38, 40, which are arranged one behind the other in the beam direction and preferably are also arranged here with a variably adjustable distance 42 along the optical axis.
  • the device 10" here has a first lens or lens group 66 for far-field imaging, which influences the beam profile predominantly in the long axis, and a second lens or lens group 68, which influences the beam profile predominantly in the short axis.
  • the beam-shaping element 24 modifies the angular spectrum with which the first microlens array 38 is illuminated.
  • the width of the illumination spots 46 in the direction of the x-axis can be reduced.
  • the length of the individual illumination spots 46 in the direction of the y-axis can be set either by an intermediate image diaphragm and/or with the aid of the beam transformer 54.
  • the lateral distance between the individual illumination spots 46 can be scaled along the x-axis by imaging and reducing/enlarging the angular spectrum with the lenses or lens groups 66, 68, which are arranged after the microlens arrays 38, 40 in the beam direction .
  • the position of the entirety of all illumination spots 46 on the working plane can be set via the direction (pointing) of the laser beam before and/or after the microlens arrays 38, 40.
  • FIG. 4 shows a preferred and advantageous use of a device 10, 10' or 10'' in a method for converting amorphous silicon on a carrier plate into higher-quality polycrystalline silicon.
  • the preferred use is based on the SLS method mentioned at the beginning.
  • the structured laser illumination is achieved here with the aid of the microlens arrays 38, 40, which allow a multi-spot beam profile 47 on the working plane due to the selected distance 42.
  • the multi-spot beam profile 47 with the illumination spots 46 spaced apart from one another along the long axis is moved in the direction of the arrow 70 relative to the working plane 50 .
  • Amorphous silicon 72 can advantageously be arranged on a carrier plate in the working plane 50 .
  • the amorphous silicon 72 is locally selectively melted with the aid of the illumination spots 46 and can crystallize laterally, ie essentially parallel to the working plane 50, during cooling.
  • the multispot Beam profile 47 thus forms polycrystalline silicon 74 with a multiplicity of crystallization cells 76.
  • the multi-spot beam profile 47 is guided in the direction of movement 70 on a zigzag path, which is indicated by reference numeral 78 in FIG.
  • the transverse movement of the multispot beam profile 47 on the zigzag path 78 corresponds to the lateral distance 80 between two adjacent illumination spots 46 along the x-axis or along the direction of extension of the multispot beam profile 47.
  • the multi-spot beam profile 47 can be moved in the direction of movement 70 with an alternating transverse component which is greater or smaller than the lateral distance 80 between two adjacent illumination spots 46 .
  • exemplary embodiments of the new device therefore have an optical arrangement 64 with a beam-shaping element, such as the spatial filter 24 or the diffractive optical element 60, which is arranged in the beam path of a raw laser beam 14 in front of an arrangement with at least two microlens arrays 38, 40.
  • a beam-shaping element such as the spatial filter 24 or the diffractive optical element 60
  • the beam-shaping element could contain an axicon or a free-form lens in front of the arrangement with at least the two microlens arrays 38, 40.
  • the microlens arrays 38, 40 can be followed by further optical elements, in particular one or more Fourier lenses (not shown here) and the lenses/lens groups 66, 68 shown in FIG is illuminated with the at least two microlens arrays 38, 40 with a modifi ed angular spectrum 32.
  • the at least two microlens arrays 38, 40 are arranged at a distance 42 along the optical axis 20, which is selected such that a large number of separate illumination spots 46 are generated transversely to the beam direction 52 on a working plane 50.
  • Each of the illumination spots 46 has the modified angular spectrum 32.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

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

Description

Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laser beleuchtung auf einer Arbeitsebene, mit einer Laserlichtquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Laserrohstrahl mit einem ersten Winkelspektrum zu erzeugen, und mit einer opti schen Anordnung, die den Laserrohstrahl aufnimmt und entlang einer optischen Achse zu einem Beleuchtungsstrahl umformt, wobei der Beleuchtungsstrahl eine Strahlrichtung de finiert, die die Arbeitsebene schneidet, wobei die optische Anordnung zumindest zwei Mik- rolinsenarrays aufweist, die mit einem definierten Abstand voneinander entlang der opti schen Achse angeordnet sind, und wobei der definierte Abstand so gewählt ist, dass der Beleuchtungsstrahl im Bereich der Arbeitsebene ein Beleuchtungsstrahlprofil besitzt, das eine Vielzahl von separaten Beleuchtungsspots beinhaltet.
[0002] Eine solche Vorrichtung ist in DE 102018211 972 B4 offenbart.
[0003] Eine definierte Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene wird vielfach benötigt, um Werk stücke zu bearbeiten. Das Werkstück kann beispielsweise ein Kunststoffmaterial auf einer Glasplatte sein, die als Träger dient. Das Kunststoffmaterial kann beispielsweise eine Fo lie sein, auf der organische lichtemittierende Dioden, sogenannte OLEDs, und/oder Dünn schichttransistoren hergestellt werden. OLED-Folien werden zunehmend für Displays in Smartphones, Tablet-PCs, Fernsehgeräten und anderen Geräten mit Bildschirmanzeige verwendet. Nach Herstellung der elektronischen Strukturen muss die Folie von dem Glas träger gelöst werden. Dies kann vorteilhaft mit einer Laserbeleuchtung geschehen, die mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Glasplatte bewegt wird und dabei die haf tende Verbindung der Folie durch die Glasplatte hindurch löst. In einigen Fällen kann die Laserbeleuchtung eine dünne Laserlinie sein. Eine derartige Anwendung wird in der Pra xis häufig als LLO bzw. Laser Lift Off bezeichnet.
[0004] Eine andere Anwendung, bei der ein Werkstück mit einer definierten Laserlinie beleuchtet wird, kann das zeilenweise Aufschmelzen von amorphem Silizium auf einer Trägerplatte sein. Die Laserlinie wird auch hier mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Werkstückoberfläche bewegt. Durch das Aufschmelzen kann das vergleichsweise kosten günstige amorphe Silizium in höherwertigeres polykristallines Silizium umgewandelt wer den. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als Excimer Laser Annealing bzw. ELA bezeichnet. Beim ELA Prozess wird das amorphe Silizium auf der Trägerplatte nahezu vollständig aufgeschmolzen und kristallisiert beim Abkühlen in vertikaler Richtung. Der Prozess ist sehr energieintensiv und das Bearbeitungsfenster für das Silizium ist sehr klein und stellt hohe Anforderungen an die Homogenität und Leistungsstabilität der Laser linie. Ein alternatives Verfahren zum Umwandeln von amorphem Silizium auf einer Trä gerplatte in höherwertigeres polykristallines Silizium ist aus zwei Publikationen von Ludolf Herbst, Frank Simon et al. bekannt, nämlich „Advances in excimer laser annealing for LTPS manufacturing“, 49-3 IMID 2009 DIGEST und „17- 4: New Technology for Creation of LTPS with Excimer Laser Annealing“, Asia Display/IMID 04 Proceedings. Das alterna tive Verfahren wird als Sequential Lateral Solidification bzw. SLS bezeichnet und verwen det einen strukturierten Laserstrahl, mit dem das amorphe Silizium lokal selektiv aufge schmolzen wird, wobei eine Kristallbildung in lateraler Richtung von den ungeschmolze nen Nachbarbereichen ausgeht. Mit Hilfe einer Maske im Strahlengang des Lasers wird eine periodische Struktur auf der Bearbeitungsfläche erzeugt. [0005] Weitere Anwendungen für eine definierte Laserbeleuchtung beinhalten den sogenannten Laser Induced Forward Transfer (LIFT), d.h. einen Transfer von bereits abgelösten Halb leiterbauelementen auf einen anderen Träger, wie zum Beispiel den Transfer von abge lösten und vereinzelten Mikro-LEDs (pLEDs) auf ein zukünftiges Display, sowie Laser schneid- oder Laserstanzprozesse. Je nach Werkstück und Anwendung wird eine indivi duelle definierte Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene benötigt.
[0006] WO 2018/019374 A1 offenbart eine Vorrichtung, mit der eine definierte Laserlinie auf ei ner Arbeitsebene erzeugt werden kann. Die Vorrichtung beinhaltet einen Kollimator, der einen Laserrohstrahl kollimiert, sowie einen Strahltransformator, einen Homogenisierer und eine Fokussierstufe. Der Strahltransformator nimmt den kollimierten Rohstrahl auf und weitet ihn in einer Richtung quer zur Strahlrichtung auf. Prinzipiell kann der Strahl transformator auch mehrere Laser-Rohstrahlen von mehreren Laserquellen aufnehmen und zu einem aufgeweiteten Laserstrahl mit höherer Leistung kombinieren. Der Homoge nisierer kann ein oder mehrere Multilinsenarrays aufweisen, mit denen der aufgeweitete Laserstrahl in der langen Richtung homogenisiert wird, so dass er einen möglichst recht eckförmigen (Tophat-förmigen) Intensitätsverlauf in der langen Achse erhält. Die Fokus sierstufe fokussiert den umgeformten Laserstrahl auf eine definierte Position im Bereich der Arbeitsebene. Die bekannte Vorrichtung eignet sich allgemein für LLO- und SLA- Anwendungen. Sie ist jedoch für einige spezielle LLO-Anwendungen nicht optimal, wie etwa das Lösen von pLEDs. Für einen solchen Fall wäre es wünschenswert, eine Vielzahl von separaten, jeweils Tophat-förmigen Intensitätsprofilen bereitzustellen. Beispielsweise kann eine Anordnung gewünscht sein, bei der eine Vielzahl von separaten Tophat-förmi- gen Intensitätsprofilen entlang einer Linie äquidistant nebeneinander angeordnet sind. Eine solche Laserbeleuchtung bietet die Vorrichtung aus WO 2018/019374 A1 nicht.
[0007] Die eingangs genannte DE 102018211 972 B4 offenbart eine optische Anordnung zur Erzeugung eines Strahlprofils mit einer Vielzahl von separaten Beleuchtungsspots, die entlang einer Linie oder über eine Fläche verteilt sind. Die Anordnung beinhaltet mehrere Mikrolinsenarrays mit nebeneinander angeordneten Mikrolinsen, die jeweils eine einheitli che Apertur a aufweisen, sowie eine nachfolgende Fourierlinsenanordnung. Des Weiteren besitzt die optische Anordnung eine Verstellmechanik, mit der ein gegenseitiger Abstand von zumindest einigen der Mikrolinsenarray verstellbar ist. Dadurch ist die effektive Brennweite der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays einstellbar. Die Verstellmechanik besitzt mehrere auswählbare Verstellpositionen, an denen das Verhältnis
Figure imgf000006_0001
zumindest näherungsweise eine natürliche Zahl ist, wobei a die einheitliche Apertur der einzelnen Mikrolinsen ist, l die mittlere Wellenlänge des Laserstrahls ist und fiuu die durch die Verstellposition i eingestellte effektive Brennweite fML der Gesamtheit der Mikrolin senarrays ist.
[0008] Die bekannte Anordnung macht es möglich, die Anzahl der aus einem Laserstrahl erzeug ten Beleuchtungsspots zu variieren, wobei eine gleichmäßige Intensitätsverteilung erhal ten wird. Der jeweilige Intensitätsverlauf der Laserbeleuchtung auf der Arbeitsebene an den separaten Beleuchtungsspots ist allerdings nicht weiter variierbar. Angesichts dessen besteht der Wunsch, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art weiterzubilden, um eine noch größere Flexibilität bei der Bearbeitung von Werkstücken zu ermöglichen. Wün schenswert ist insbesondere, nicht nur die Anzahl sondern auch die Größe der einzelnen Beleuchtungsspots variieren zu können. Es ist dementsprechend eine Aufgabe der vorlie genden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der die Erzeugung einer noch variableren Multispotbeleuchtung auf effiziente Weise möglich ist.
[0009] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung der eingangs ge nannten Art vorgeschlagen, bei der die optische Anordnung ferner ein Strahlformungsele ment aufweist, das entlang der optischen Achse vor den zumindest zwei Mikrolin senarrays angeordnet ist, wobei das Strahlformungselement ein zweites Winkelspektrum erzeugt, das von dem ersten Winkelspektrum verschieden ist.
[0010] Entgegen bisherigen Annahmen hat sich gezeigt, dass eine Strahlformung vor den Mikro linsenarrays sehr vorteilhaft verwendet werden kann, um das Strahlprofil im Bereich der Arbeitsebene weiter variieren zu können. Eine Strahlformung vor den Mikrolinsenarrays ist kostengünstig und effizient, weil sie sich „zentral“ auf den Laserstrahl auswirkt, bevor dieser mit Hilfe der Mikrolinsenarrays in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird. „Vor den Mikrolinsenarrays“ bedeutet hier, dass das Strahlformungselement entlang der optischen Achse zwischen der Laserlichtquelle und den zumindest zwei Mikrolinsenarrays angeord net ist, mit deren Hilfe die separaten Beleuchtungsspots erzeugt werden. Das Strahlfor mungselement sitzt also strahlaufwärts von den zumindest zwei Mikrolinsenarrays. Es hat sich gezeigt, dass jeder der mit Hilfe der Mikrolinsenarrays erzeugten Beleuchtungsspots das Winkelspektrum der Mikrolinsenbeleuchtung repräsentiert. Daher kann hier eine Fern feld-Strahlformung vorteilhaft schon früh im Strahlengang und somit vor den Mikrolin senarrays vorgenommen werden. Der Laserstrahl mit einem gewünschten zweiten Win kelspektrum wird mit Hilfe der Mikrolinsenarrays auf effiziente Weise aufgeteilt und das gewünschte zweite Winkelspektrum wird zu mehreren separaten Beleuchtungsspots ver vielfältigt.
[0011] Die neue Vorrichtung besitzt daher einen weiteren Freiheitsgrad in Bezug auf die Erzeu gung einer Vielzahl von Beleuchtungsspots. Mit Hilfe der Strahlformung vor den Mikrolin senarrays kann das Wnkelspektrum der Beleuchtungsspots eingestellt werden. Damit ist es insbesondere möglich, die jeweilige Ausdehnung und Form der Beleuchtungsspots auf der Arbeitsebene zu variieren bzw. einzustellen. Die oben genannte Aufgabe ist vollstän dig gelöst.
[0012] In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das zweite Winkelspektrum ein Tophat-förmiges Intensitätsprofil auf.
[0013] Ein Tophat-förmiges Intensitätsprofil ist für viele Anwendungen von Vorteil, da es eine Be arbeitungsstelle auf der Arbeitsebene scharf abgrenzt. Es ermöglicht eine filigrane Bear beitung und/oder eine Erzeugung von feinen Strukturen und eignet sich besonders für eine simultane Oberflächenbearbeitung auf engem Raum, wie etwa lokales Schmelzen oder lokale Schneidprozesse an einer Vielzahl von Bearbeitungsstellen. Die zentrale Strahlformung vor den Mikrolinsenarrays wird hier vorteilhaft genutzt, um ein gleichmäßi ges Tophat-förmiges Intensitätsprofil für eine Vielzahl von Beleuchtungsspots zu erzeu gen. [0014] In einerweiteren Ausgestaltung weist das erste Winkelspektrum in einer Ebene senkrecht zu der optischen Achse einen ersten Footprint auf und das zweite Wnkelspektrum weist in einer weiteren Ebene senkrecht zu der optischen Achse einen zweiten Footprint auf, der verschieden von dem ersten Footprint ist.
[0015] Der Footprint repräsentiert den Umriss eines mit dem Laserstrahl erzeugten Beleuch tungsspots. Er repräsentiert daher insbesondere die geometrische Form des Beleuch tungsspots auf einer Ebene senkrecht zu der Strahlrichtung bzw. senkrecht zu der opti schen Achse. Er repräsentiert ferner die Flächenausdehnung des erzeugten Beleuch tungsspots auf der Ebene. In bevorzugten Ausführungsbeispielen können sich der erste Footprint und der zweite Footprint daher in Bezug auf die jeweilige geometrische Form und/oder in Bezug auf die Flächenausdehnung voneinander unterscheiden. Die Ausge staltung macht es möglich, die Ausdehnung und Form der Beleuchtungsspots auf der Ar beitsebene auf effiziente Weise einzustellen.
[0016] In einer weiteren Ausgestaltung ist der zweite Footprint polygonal, insbesondere recht eckig, fünfeckig, sechseckig oder achteckig. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispie len besitzt der zweite Footprint ein Seitenverhältnis (maximale Länge zu maximaler Breite), das im Bereich von 1 liegt, insbesondere also im Intervall zwischen 0,9 und 1,1, jeweils einschließlich. Dementsprechend kann der zweite Footprint in einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen quadratisch sein. Die Ausgestaltung ermöglicht eine zielgenaue und effiziente Bearbeitung eines Werkstücks in zahlreichen Anwendungen und profitiert besonders von dem neuen Freiheitsgrad, den die neue Vorrichtung auf effiziente Weise bietet.
[0017] In einerweiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung eine Verstellmechanik auf, mit der zumindest ein Mikrolinsenarray von den zumindest zwei Mikrolinsenarrays entlang der optischen Achse verstellbar ist. Vorzugsweise weist die optische Anordnung außer dem eine Fourierlinsenanordnung auf, die entlang der optischen Achse nach den Mikrolin senarrays angeordnet ist. [0018] Mit Hilfe der Verstellmechanik kann der Abstand der zumindest zwei Mikrolinsenarrays voneinander selektiv und variabel eingestellt werden. Damit ermöglicht diese Ausgestal tung eine variable Einstellung der Anzahl an separaten Beleuchtungsspots auf der Ar beitsebene. Vorzugsweise besitzt de Verstellmechanik mehrere auswählbare Verstellposi tionen, an denen das Verhältnis
Figure imgf000009_0001
[0019] zumindest näherungsweise eine natürliche Zahl ist, wobei a die einheitliche Apertur der einzelnen Mikrolinsen der Mikrolinsenarrays ist, l die mittlere Wellenlänge des Laserroh strahls ist und fML die durch die jeweilige Verstellposition i eingestellte effektive Brenn weite fML der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays ist. Zumindest näherungsweise bedeutet hier, dass das Verhältnis in einem Intervall von 0,8 N, bis 1,2 N, liegt, jeweils einschließ lich, wobei Ni die jeweilige natürliche Zahl ist. Die Ausgestaltung macht vorteilhaften Ge brauch von den flexiblen Möglichkeiten, die die optische Anordnung aus der eingangs ge nannten DE 102018211 972 B4 bietet. Die DE 102018211 972 B4 ist hier folglich im Hinblick auf die Realisierungsmöglichkeiten der Ausgestaltung durch Bezugnahme aufge nommen.
[0020] In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das Strahlformungselement einen Strahltrans formator, der den Laserrohstrahl in einer Richtung quer zu der optischen Achse aufweitet. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Strahltransformator eine Powell-Linse beinhal ten. Alternativ oder ergänzend kann der Strahltransformator einen Glaskörper beinhalten, der an gegenüberliegenden Flächen verspiegelt ist, so dass ein schräg eintretender La serstrahl in dem Glaskörper mehrfach hin und her reflektiert und dabei in einer Richtung aufgeweitet wird.
[0021] Eine Powell-Linse ist eine Linse, die aus einer rotationssymmetrischen gaußförmigen In tensitätsverteilung ein linienförmiges Strahlprofil mit einer weitgehend homogenen Intensi tätsverteilung entlang der Linie erzeugen kann. Senkrecht dazu bleibt die gaußförmige In tensitätsverteilung erhalten. Der Strahltransformator kann ferner ein Strahltransformator sein, wie er in der eingangs genannten WO 2018/019374 A1 beschrieben ist, die hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Das Strahlformungselement dieser Ausgestaltung ermöglicht eine Vielzahl von separaten Beleuchtungsspots entlang einer definierten Linie. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Linie schräg, aber nicht orthogonal zu der opti schen Achse angeordnet sein, um auf der Arbeitsebene ein linienförmiges Strahlprofil schräg zu der Strahlrichtung des Beleuchtungsstrahls zu erzeugen.
[0022] In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das Strahlformungselement ein diffraktives op tisches Element (DOE).
[0023] Ein diffraktives optisches Element ist ein strahlformendes Element, das auf dem Prinzip der Lichtbeugung beruht. Typischerweise besitzt es einen Glasträger, an oder auf dem Beugungsstrukturen angeordnet sind. Die Beugungsstrukturen rufen Interferenzen hervor. Mit einem diffraktiven optischen Element kann ein gewünschtes zweites Winkelspektrum sehr variantenreich und mit hoher Qualität erzeugt werden. Außerdem wird die Strahl energie zu großen Teilen zur Beleuchtung der Arbeitsebene genutzt. Aus diesem Grund ermöglicht ein diffraktives optisches Element eine besonders effiziente Realisierung.
[0024] In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das Strahlformungselement ein Raumfilter.
[0025] Ein Raumfilter beinhaltet typischerweise ein Objektiv und eine Blende, die im Strahlen gang hinter dem Objektiv angeordnet ist. Mit Hilfe der Blende kann ein gewünschtes zwei tes Wnkelspektrum variantenreich erzeugt werden. Das Objektiv sorgt dafür, dass die Blende effizient ausgeleuchtet wird. Daher ermöglicht ein Raumfilter vor den Mikrolin- senarrays eine sehr variantenreiche und kostengünstige Strahlformung.
[0026] In einer weiteren Ausgestaltung ist das Strahlformungselement wahlweise in die optische Achse einbringbar.
[0027] Diese Ausgestaltung bietet eine besonders große Flexibilität bei der Erzeugung der defi nierten Laserbeleuchtung. Das Strahlformungselement ist hier mit einer Verstellmechanik gekoppelt, die es möglich macht, das Strahlformungselement wahlweise ganz oder teil weise in den Strahlengang der optischen Anordnung einzubringen oder aus diesem zu entfernen. Das Beleuchtungsstrahlprofil kann somit wahlweise und gezielt variiert wer den. In einigen Ausführungsbeispielen besitzt die Vorrichtung mehrere Strahlformungsele mente, die jeweils dazu eingerichtet sind, ein zweites Winkelspektrum zu erzeugen, wobei sich die zweiten Winkelspektren voneinander unterscheiden. In diesen Ausführungsbei spielen kann eines von mehreren Strahlformungselementen wahlweise in den Strahlen gang der optischen Anordnung eingebracht werden. Beispielsweise kann das (jeweilige) Strahlformungselement dieser Ausgestaltung in den Strahlengang der optischen Anord nung eingeschoben und/oder eingeschwenkt werden.
[0028] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläutern- den Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in ande ren Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorlie genden Erfindung zu verlassen.
[0029] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte und schematische Darstellung eines ersten Ausfüh rungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
Fig. 2 eine vereinfachte und schematische Darstellung eines weiteren Ausfüh rungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
Fig. 3 eine vereinfachte und schematische Darstellung eines weiteren Ausfüh rungsbeispiels der neuen Vorrichtung, und
Fig. 4 eine vorteilhafte Trajektorie einer Laserbeleuchtung beim Aufschmelzen von polykristallinem Silizium gemäß einigen bevorzugten Ausführungs beispielen.
[0030] In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 beinhaltete eine Laserlichtquelle 12, die einen Laserrohstrahl 14 erzeugt. Die Laserlichtquelle 12 kann einen Kollimator (hier nicht dargestellt) beinhalten, so dass der Laserrohstrahl 14 ein kollimierter Laserrohstrahl sein kann.
[0031] Der Laserrohstrahl 14 beleuchtet eine erste Linse 16 und eine nachfolgende zweite Linse 18, die entlang einer optischen Achse 20 angeordnet sind. Zwischen den Linsen 16, 18 ist hier entlang der optischen Achse 20 eine Blende 22 angeordnet. Die Blende 22 bildet hier zusammen mit den Linsen 16, 18 ein Raumfilter 24. Der Laserrohstrahl 14 besitzt ein ers tes Winkelspektrum, das bei dem Bezugszeichen 26 angedeutet und als ein gaußförmi ges Intensitätsprofil dargestellt ist. In einer (gedachten) Ebene 28, die senkrecht zu der optischen Achse 20 liegt, erzeugt der Laserrohstrahl 14 mit dem ersten Wnkelspektrum 26 hier beispielshaft einen kreisförmigen Footprint 30.
[0032] Aufgrund des Raumfilters 24 besitzt der Laserstrahl nach der Linse 18 ein verändertes zweites Wnkelspektrum 32, das hier beispielhaft mit einem Tophat-förmigen Intensitäts profil in einer Ebene 34 dargestellt ist. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 10 einen 2f-Aufbau besitzen. Die Ebene 34 kann in diesen Ausfüh rungsbeispielen an einer anderen Stelle liegen als in Fig. 1 der Einfachheit halber darge stellt ist. Der Laserstrahl mit dem modifizierten zweiten Wnkelspektrum 32 erzeugt hinter der Linse 18 einen zweiten Footprint 36, der hier beispielhaft quadratisch dargestellt ist.
[0033] Der Laserstrahl mit dem zweiten Wnkelspektrum 32 beleuchtet hier eine Anordnung mit zumindest zwei Mikrolinsenarrays 38, 40, die mit einem definierten Abstand 42 voneinan der entlang der optischen Achse 20 angeordnet sind. Jedes Mikrolinsenarray 38, 40 be sitzt eine Vielzahl von Mikrolinsen, die vorzugsweise jeweils dieselbe Apertur a besitzen.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die optische Anordnung ferner eine Ver stellmechanik 44, mit der der relative Abstand 42 zwischen den zumindest zwei Mikrolin senarrays 38, 40 entlang der optischen Achse 20 verändert werden kann. In den bevor zugten Ausführungsbeispielen besitzt die Verstellmechanik mehrere vordefinierte Verstell positionen, mit denen jeweils ein Abstand 42 eingestellt wird, bei dem das Verhältnis [0034] zumindest näherungsweise eine natürliche Zahl ist, wobei a die einheitliche Apertur der einzelnen Mikrolinsen der Mikrolinsenarrays 38, 40 ist, l die mittlere Wellenlänge des La serrohstrahls 14 ist und fiuu die durch die jeweilige Verstellposition i eingestellte effektive Brennweite fML der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays ist. Zumindest näherungsweise be deutet hier, dass das Verhältnis in einem Intervall von 0,8 N, bis 1,2 N, liegt, jeweils ein schließlich, wobei Ni die jeweilige natürliche Zahl ist.
[0035] Durch Variieren des Abstandes 42 wird die effektive Brennweite fML der Gesamtheit der Mikrolinsenarrays 38, 40 verändert. Durch geeignetes Einstellen des Abstandes entspre chend dem oben genannten Verhältnis kann die Anzahl der Beleuchtungsspots 46 im Multispot-Strahlprofil 47 des Beleuchtungsstrahls 48 auf der Arbeitsebene 50 eingestellt werden. Dabei ist die Arbeitsebene 50 hier senkrecht zu der Strahlrichtung 52 des Be leuchtungsstrahls 48 angeordnet. Sie könnte jedoch auch schräg zu der Strahlrichtung 52 liegen. Bevorzugt verwendet die Vorrichtung 10 Mikrolinsenarrays 38, 40 in einer der An ordnungen, wie sie in DE 102018211 972 B4, die hier durch Bezugnahme aufgenommen ist, offenbart sind. Die Beleuchtungsspots 46 sind hier entlang einer Linie nebeneinander angeordnet, die quer zu der Strahlrichtung 52 verläuft (hier als x-Achse bezeichnet). In ei nigen vorteilhaften Anwendungen der Vorrichtung 10 kann das Multispot-Strahlprofil 47 quer zu der Linie der Beleuchtungsspots 46 und quer zu der Strahlrichtung 52 relativ zu der Arbeitsebene 50 bewegt werden, wie dies weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 4 näher erläutert ist.
[0036] Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung, die hier nun mit dem Bezugszeichen 10‘ bezeichnet ist. Im Übrigen bezeichnen gleiche Bezugszeichen diesel ben Elemente wie zuvor. Die Vorrichtung 10 besitzt einen Strahltransformator 54, der den Laserrohstrahl in einer Richtung quer zu der optischen Achse 20 aufweitet. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Strahltransformator eine Powell-Linse beinhalten. Alter nativ oder ergänzend kann der Strahltransformator einen Glaskörper mit einer Vorderseite 56 und einer Rückseite 58 beinhalten, die jeweils verspiegelt sind, so dass der Laserroh- strahl 14 in dem Glaskörper mehrfach hin und her reflektiert und dabei quer zu der opti schen Achse 20 aufgeweitet wird. Ein solcher Strahltransformator ist in der eingangs ge nannten WO 2018/019374 A1 beschrieben, die hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Alternativ oder ergänzend kann der Strahltransformator eine Powell-Linse beinhalten. In jedem Fall wird der Laserrohstrahl 14 hier in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse 20 und in diesem Fall senkrecht zur Betrachtungsebene aufgeweitet, so dass das Strahlprofil auf der Arbeitsebene 50 linienförmige Strukturen senkrecht zu der Betrach tungsebene aufweist. Die Mikrolinsen der Mikrolinsenarrays 38, 40 können in diesem Fall Zylinderlinsen sein. Alternativ können die Mikrolinsen der Mikrolinsenarrays 38, 40 jeweils rotationssymmetrische Linsen in einem 2dimensionalen Linsenarray sein. Eine solche An ordnung macht es möglich, ein Beleuchtungsstrahlprofil mit einer Vielzahl von Beleuch tungsspots in einer 2dimensionalen Anordnung zu erzeugen.
[0037] Mit dem Bezugszeichen 60 ist hier ein diffraktives optisches Element bezeichnet, das wahlweise in den Strahlengang des (aufgeweiteten) Laserrohstrahls 14, d.h. an eine Posi tion entlang der optischen Achse 20, eingeschoben werden kann. Mit dem Bezugszeichen 60‘ ist ein alternatives diffraktives optisches Element bezeichnet, das wahlweise anstelle oder in Ergänzung zu dem Element 60 in den Strahlengang eingeschoben werden kann. Die diffraktiven optischen Elemente 60, 60‘ sind dazu mit einer Verstellmechanik 62, 62‘ gekoppelt.
[0038] Fig. 3 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung, die hier mit dem Bezugszeichen 10“ bezeichnet ist. Im Übrigen bezeichnen gleiche Bezugszei chen dieselben Elemente wie zuvor. Im oberen Teil zeigt Fig. 3 die Strahlformung für das Multispot-Strahlprofil 47 in der langen Achse, die hier als x-Achse bezeichnet ist. Im unte ren Teil zeigt Fig. 3 die Strahlformung in der kurzen Achse, die hier als y-Achse bezeich net ist. Die Vorrichtung 10“ besitzt ein Raumfilter 24 entsprechend dem Ausführungsbei spiel in Fig. 1. Alternativ oder ergänzend zu dem Raumfilter 24 könnte die Vorrichtung 10“ ein DOE entsprechend dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 aufweisen, um das Winkel spektrum des Laserrohstrahls 14 zu modifizieren. Der Laserrohstrahl mit dem modifizier ten Winkelspektrum trifft hier auf einen Strahltransformator 54, der den Laserrohstrahl in der langen Achse aufweitet. Der in der x-Achse aufgeweitete Laserstrahl beleuchtet die in Strahlrichtung hintereinander angeordneten Mikrolinsenarrays 38, 40, die vorzugsweise auch hier mit einem variabel einstellbaren Abstand 42 entlang der optischen Achse ange ordnet sind. Außerdem besitzt die Vorrichtung 10“ hier eine erste Linse oder Linsen gruppe 66 für die Fernfeldabbildung, die das Strahlprofil überwiegend in der langen Achse beeinflusst, sowie eine zweite Linse oder Linsengruppe 68, die das Strahlprofil überwie gend in der kurzen Achse beeinflusst.
[0039] Das Strahlformungselement 24 modifiziert das Winkelspektrum, mit dem das erste Mikro- linsenarray 38 beleuchtet wird. Durch Verkleinerung des Winkelspektrums vor dem Mikro- linsenarray 38 kann die Breite der Beleuchtungsspots 46 in Richtung der x-Achse redu ziert werden. Die Länge der einzelnen Beleuchtungsspots 46 in Richtung der y-Achse kann entweder durch eine Zwischenbildblende und/oder mit Hilfe des Strahltransformator 54 eingestellt werden. Durch eine Abbildung und Verkleinerung/Vergrößerung des Winkel spektrums mit den Linsen oder Linsengruppen 66, 68, die in Strahlrichtung nach den Mik- rolinsenarrays 38, 40 angeordnet sind, kann der seitliche Abstand zwischen den einzel nen Beleuchtungsspots 46 entlang der x-Achse skaliert werden. Außerdem kann auch die Position der Gesamtheit aller Beleuchtungsspots 46 auf der Arbeitsebene über die Aus richtung (Pointing) des Laserstrahls vor und/oder nach den Mikrolinsenarrays 38, 40 ein gestellt werden.
[0040] Fig. 4 zeigt eine bevorzugte und vorteilhafte Verwendung einer Vorrichtung 10, 10‘ oder 10“ in einem Verfahren zum Umwandeln von amorphem Silizium auf einer Trägerplatte in höherwertigeres polykristallines Silizium. Die bevorzugte Verwendung basiert auf dem eingangs genannten SLS Verfahren. Im Gegensatz zu der Vorrichtung nach dem Vor schlag von Ludolf Herbst, Frank Simon et al. wird die strukturierte Laserbeleuchtung hier allerdings mit Hilfe der Mikrolinsenarrays 38, 40 erreicht, die aufgrund des gewählten Ab stand 42 ein Multispot-Strahlprofil 47 auf der Arbeitsebene ermöglichen. Entsprechend Fig. 4 wird das Multispot-Strahlprofil 47 mit den in langer Achse voneinander beabstande- ten Beleuchtungsspots 46 in Richtung des Pfeils 70 relativ zu der Arbeitsebene 50 be wegt. In der Arbeitsebene 50 kann vorteilhaft amorphes Silizium 72 auf einer Trägerplatte angeordnet sein. Das amorphe Silizium 72 wird mit Hilfe der Beleuchtungsspots 46 lokal selektiv aufgeschmolzen und kann beim Abkühlen lateral, also im Wesentlichen parallel zu der Arbeitsebene 50 kristallisieren. In Bewegungsrichtung 70 hinter dem Multispot- Strahlprofil 47 bildet sich somit polykristallines Silizium 74 mit einer Vielzahl von Kristalli sationszellen 76. Vorzugsweise wird das Multispot-Strahlprofil 47 in der Bewegungsrich tung 70 auf einem Zick-Zack-Pfad geführt, der in Fig. 4 bei dem Bezugszeichen 78 ange deutet ist. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht die Querbewe gung des Multispot-Strahlprofil 47 auf dem Zick-Zack-Pfad 78 dem seitlichen Abstand 80 zwischen zwei benachbarten Beleuchtungsspots 46 entlang der x-Achse bzw. entlang der Erstreckungsrichtung des Multispot-Strahlprofils 47. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Multispot-Strahlprofil 47 in der Bewegungsrichtung 70 mit einem alternierenden Queranteil bewegt werden, der größer oder kleiner als der seitliche Abstand 80 zwischen zwei benachbarten Beleuchtungsspots 46 ist.
[0041] Zusammengefasst besitzen Ausführungsbeispiele der neuen Vorrichtung also eine opti sche Anordnung 64 mit einem Strahlformungselement, wie etwa dem Raumfilter 24 oder dem diffraktiven optischen Element 60, das im Strahlengang eines Laserrohstrahls 14 vor einer Anordnung mit zumindest zwei Mikrolinsenarrays 38, 40 angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend zu den oben genannten Strahlformungselementen könnte das Strahlfor mungselement vor der Anordnung mit zumindest den zwei Mikrolinsenarrays 38, 40 ein Axikon oder eine Freiformlinse beinhalten. Nach den Mikrolinsenarrays 38, 40 können weitere optische Elemente folgen, insbesondere eine oder mehrere Fourierlinsen (hier nicht dargestellt) sowie die in Fig. 3 dargestellten Linsen/Linsengruppen 66, 68. Das Strahlformungselement modifiziert das Winkelspektrum 26 des Laserrohstrahls 14 so, dass die Anordnung mit den zumindest zwei Mikrolinsenarrays 38, 40 mit einem modifi zierten Winkelspektrum 32 beleuchtet wird. Die zumindest zwei Mikrolinsenarrays 38, 40 sind mit einem Abstand 42 entlang der optischen Achse 20 angeordnet, der so gewählt ist, dass eine Vielzahl von separaten Beleuchtungsspots 46 quer zur Strahlrichtung 52 auf einer Arbeitsebene 50 erzeugt werden. Jeder der Beleuchtungsspots 46 besitzt dabei das modifizierte Wnkelspektrum 32.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserbeleuchtung auf einer Arbeits ebene (50), mit einer Laserlichtquelle (12), die dazu eingerichtet ist, einen Laser rohstrahl (14) mit einem ersten Winkelspektrum (26) zu erzeugen, und mit einer optischen Anordnung (64), die den Laserrohstrahl (14) aufnimmt und entlang einer optischen Achse (20) zu einem Beleuchtungsstrahl (48) umformt, wobei der Be leuchtungsstrahl (48) eine Strahlrichtung (52) definiert, die die Arbeitsebene (50) schneidet, wobei die optische Anordnung (64) zumindest zwei Mikrolinsenarrays (38, 40) aufweist, die mit einem definierten Abstand (42) voneinander entlang der optischen Achse (20) angeordnet sind, und wobei der definierte Abstand (42) so gewählt ist, dass der Beleuchtungsstrahl (48) im Bereich der Arbeitsebene (50) ein Beleuchtungsstrahlprofil (47) besitzt, das eine Vielzahl von separaten Beleuch tungsspots (46) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (64) ferner ein Strahlformungselement (24; 60) aufweist, das entlang der optischen Achse (20) vor den zumindest zwei Mikrolinsenarrays (38, 40) angeordnet ist, wo bei das Strahlformungselement (24; 60) ein zweites Winkelspektrum (32) erzeugt, das von dem ersten Wnkelspektrum (26) verschieden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Winkel spektrum (32) ein Tophat-förmiges Intensitätsprofil aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wnkelspektrum (26) in einer Ebene (28) senkrecht zu der optischen Achse (20) einen ersten Footprint (30) aufweist und dass das zweite Wnkelspektrum (32) in einer weiteren Ebene (34) senkrecht zu der optischen Achse (20) einen zweiten Footprint (36) aufweist, der verschieden von dem ersten Footprint (30) ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Footprint (36) polygon ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (64) eine Verstellmechanik (44) aufweist, mit der zumindest ein Mikrolinsenarray (40) von den zumindest zwei Mikrolinsenarrays (38, 40) ent lang der optischen Achse (20) verstellbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungselement einen Strahltransformator (54) beinhaltet, der den Laser rohstrahl (14) in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse (20) aufweitet.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungselement ein diffraktives optisches Element (60) beinhaltet.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungselement ein Raumfilter (24) beinhaltet.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungselement (24, 60) wahlweise in die optische Achse einbringbar ist.
10. Verfahren zum Erzeugen einer definierten Laserbeleuchtung auf einer Arbeits ebene (50) mit einer Laserlichtquelle (12), die einen Laserrohstrahl (14) mit einem ersten Winkelspektrum (26) erzeugt, wobei der Laserrohstrahl (14) mit einer opti schen Anordnung (64) entlang einer optischen Achse (20) zu einem Beleuchtungs strahl (48) umformt wird, wobei der Beleuchtungsstrahl (48) eine Strahlrichtung (52) definiert, die die Arbeitsebene (50) schneidet, wobei die optische Anordnung (64) zumindest zwei Mikrolinsenarrays (38, 40) aufweist, die mit einem definierten Abstand (42) voneinander entlang der optischen Achse (20) positioniert werden, und wobei der definierte Abstand (42) so gewählt wird, dass der Beleuchtungs strahl (48) im Bereich der Arbeitsebene (50) ein Beleuchtungsstrahlprofil (47) be sitzt, das eine Vielzahl von separaten Beleuchtungsspots (46) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (64) ferner ein Strahlformungsele ment (24; 60) aufweist, das entlang der optischen Achse (20) vor den zumindest zwei Mikrolinsenarrays (38, 40) angeordnet ist, wobei das Strahlformungselement (24; 60) ein zweites Winkel Spektrum (32) erzeugt, das von dem ersten Winkel spektrum (26) verschieden ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungs strahlprofil (47) entlang von einem Zick-Zack-Pfad (78) relativ zu der Arbeitsebene (50) bewegt wird.
PCT/EP2022/062593 2021-05-25 2022-05-10 Vorrichtung zum erzeugen einer definierten laserbeleuchtung auf einer arbeitsebene WO2022248209A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202280037536.3A CN117377893A (zh) 2021-05-25 2022-05-10 用于在工作平面上产生限定的激光照射的设备
JP2023573027A JP2024520476A (ja) 2021-05-25 2022-05-10 作業面上に規定のレーザ照射を生成するための装置
KR1020237042445A KR20240006068A (ko) 2021-05-25 2022-05-10 작업 평면에 규정된 레이저 조명을 생성하기 위한 장치

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021113406.4A DE102021113406A1 (de) 2021-05-25 2021-05-25 Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene
DE102021113406.4 2021-05-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022248209A1 true WO2022248209A1 (de) 2022-12-01

Family

ID=81975058

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2022/062593 WO2022248209A1 (de) 2021-05-25 2022-05-10 Vorrichtung zum erzeugen einer definierten laserbeleuchtung auf einer arbeitsebene

Country Status (5)

Country Link
JP (1) JP2024520476A (de)
KR (1) KR20240006068A (de)
CN (1) CN117377893A (de)
DE (1) DE102021113406A1 (de)
WO (1) WO2022248209A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130107346A1 (en) * 2010-08-03 2013-05-02 Hamamatsu Photonics K.K. Optical system for laser optical rectification and wave front control
WO2018019374A1 (en) 2016-07-27 2018-02-01 Trumpf Laser Gmbh Laser line illumination
DE102018211972B4 (de) 2018-07-18 2020-04-23 Trumpf Laser Gmbh Optische Anordnung zur variablen Erzeugung eines Multifoki-Profils, sowie Verfahren zum Betrieb und Verwendung einer solchen Anordnung

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5637526B2 (ja) 2010-04-28 2014-12-10 株式会社ブイ・テクノロジー レーザ加工装置
DE102011101585B4 (de) 2011-05-12 2015-11-12 Technische Universität Dresden Verfahren zur Herstellung von Leuchtdioden oder photovoltaischen Elementen
EP3748287B1 (de) 2019-06-06 2021-10-13 TRUMPF Photonic Components GmbH Vcsel-basierter musterprojektor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130107346A1 (en) * 2010-08-03 2013-05-02 Hamamatsu Photonics K.K. Optical system for laser optical rectification and wave front control
WO2018019374A1 (en) 2016-07-27 2018-02-01 Trumpf Laser Gmbh Laser line illumination
DE102018211972B4 (de) 2018-07-18 2020-04-23 Trumpf Laser Gmbh Optische Anordnung zur variablen Erzeugung eines Multifoki-Profils, sowie Verfahren zum Betrieb und Verwendung einer solchen Anordnung

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LINDLEIN N ET AL: "Flexible beam shaping system using fly's eye condenser", APPLIED OPTICS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, DC, US, vol. 49, no. 12, 20 April 2010 (2010-04-20), pages 2382 - 2390, XP001553194, ISSN: 0003-6935 *
MAIK ZIMMERMANN ET AL: "Refractive Micro-optics for Multi-spot and Multi-line Generation", 20 June 2008 (2008-06-20), XP055629518, Retrieved from the Internet <URL:https://www.suss-microoptics.com/suss-microoptics/technical-publications/Proc.%20LPM%202008-%20Multi-Spot%20and%20Multi-Line%20Generation.pdf> [retrieved on 20191007] *
VON LUDOLF HERBSTFRANK SIMON ET AL., ADVANCES IN EXCIMER LASER ANNEALING FOR LTPS MANUFACTURING, 2009, pages 49 - 3

Also Published As

Publication number Publication date
JP2024520476A (ja) 2024-05-24
DE102021113406A1 (de) 2022-12-01
CN117377893A (zh) 2024-01-09
KR20240006068A (ko) 2024-01-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102006047941B4 (de) Vorrichtung zur Homogenisierung von Strahlung mit nicht regelmäßigen Mikrolinsenarrays
DE102016221533B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Transfer elektronischer Komponenten von einem Trägersubstrat auf ein Zwischenträgersubstrat
DE112005003207B4 (de) Optisches Beleuchtungssystem zum Erzeugen eines Linienstrahls
DE19632460C1 (de) Optische Vorrichtung zum Homogenisieren von Laserstrahlung und Erzeugen von mehreren Beleuchtungsfeldern
EP1839083B1 (de) Vorrichtung zur homogenisierung von licht
EP2430491B1 (de) Vorrichtung zur formung von laserstrahlung sowie laservorrichtung mit einer derartigen vorrichtung
DE102012205886A1 (de) Beleuchtungsintensitäts-Korrekturvorrichtung zur Vorgabe einer Beleuchtungsintensität über ein Beleuchtungsfeld einer lithographischen Projektionsbelichtungsanlage
EP3860798A1 (de) Laserbearbeitungssystem
EP1789833B1 (de) Optisches system zur umwandlung einer primären intensitätsverteilung in eine vorgegebene, raumwinkelabhängige intensitätsverteilung
DE112009003752B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Fotovoltaikvorrichtung
DE102020107760A1 (de) Laserbearbeitungsvorrichtung und Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks
EP2976672B1 (de) Vorrichtung zur homogenisierung eines laserstrahls
WO2008148377A2 (de) Verfahren zur selektiven thermischen oberflächenbehandlung eines flächensubstrates
DE102006018504A1 (de) Anordnung zum Herstellen einer randscharfen Beleuchtungslinie sowie Anordnung zum Erhöhen der Asymmetrie des Strahlparameterproduktes
WO2021197923A1 (de) Optische anordnung und lasersystem
WO2021069441A1 (de) Laservorrichtung zur erzeugung von laserstrahlung sowie 3d-druck-vorrichtung mit einer derartigen laservorrichtung
WO2022248209A1 (de) Vorrichtung zum erzeugen einer definierten laserbeleuchtung auf einer arbeitsebene
DE10225674B4 (de) Linsensystem zum Homogenisieren von Laserstrahlung
DE102019118676B4 (de) Optisches System zur Homogenisierung der Intensität von Lichtstrahlung und Anlage zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht
DE102015200531A1 (de) Optisches Modul
WO2022033923A1 (de) Vorrichtung zum erzeugen einer definierten laserlinie auf einer arbeitsebene
WO2022074095A1 (de) Vorrichtung zum erzeugen einer laserlinie auf einer arbeitsebene
DE102020130651B3 (de) Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene
DE102010044480A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle
DE102007025943B4 (de) Verfahren zur thermischen Behandlung einer Substratoberfläche mittels Laserlicht

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22728511

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202280037536.3

Country of ref document: CN

Ref document number: 2023573027

Country of ref document: JP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20237042445

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020237042445

Country of ref document: KR

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 22728511

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1