WO2023117293A1 - Vorrichtung zum erzeugen einer definierten laserlinie auf einer arbeitsebene - Google Patents

Vorrichtung zum erzeugen einer definierten laserlinie auf einer arbeitsebene Download PDF

Info

Publication number
WO2023117293A1
WO2023117293A1 PCT/EP2022/083135 EP2022083135W WO2023117293A1 WO 2023117293 A1 WO2023117293 A1 WO 2023117293A1 EP 2022083135 W EP2022083135 W EP 2022083135W WO 2023117293 A1 WO2023117293 A1 WO 2023117293A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser
pulsed
light source
raw
laser light
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2022/083135
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Heimes
Christian Stolzenburg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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
Publication of WO2023117293A1 publication Critical patent/WO2023117293A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0626—Energy control of the laser beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0092—Nonlinear frequency conversion, e.g. second harmonic generation [SHG] or sum- or difference-frequency generation outside the laser cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10038—Amplitude control
    • H01S3/10046—Pulse repetition rate control
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P34/00—Irradiation with electromagnetic or particle radiation of wafers, substrates or parts of devices
    • H10P34/40—Irradiation with electromagnetic or particle radiation of wafers, substrates or parts of devices with high-energy radiation
    • H10P34/42—Irradiation with electromagnetic or particle radiation of wafers, substrates or parts of devices with high-energy radiation with electromagnetic radiation, e.g. laser annealing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10038—Amplitude control
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2383—Parallel arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating a defined laser line on a working plane, with at least one laser light source, which has a pumped solid-state laser and is set up to generate at least one pulsed UV laser raw beam, and with an optical arrangement with a Number of optical elements that define a beam path for the at least one pulsed raw UV laser beam, the optical arrangement being set up to form a pulsed illumination beam with a defined pulse rate from the at least one raw pulsed UV laser beam, the pulsed illumination beam having a beam direction that intersects the working plane, and wherein the pulsed illumination beam in the region of the working plane has a beam profile perpendicular to the beam direction having a long axis with a long-axis beamwidth and a short axis with a short-axis beamwidth.
  • Such a device is basically known from US 2020/0235544 A1.
  • the linear laser illumination of such a device can advantageously be used to thermally process a workpiece.
  • the workpiece can be, for example, a plastic material on a glass plate, which serves as a carrier material.
  • the plastic material can in particular be a film 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. After the electronic structures have been produced, the film must be detached from the glass carrier.
  • the ELA process is very energy-intensive and the process window for melting the amorphous silicon is very small because the amorphous silicon must not be melted continuously. Rather, the melting must take place in such a way that isolated solid crystallization nuclei remain.
  • Solid State Laser Annealing SLA
  • US 2020/0235544 A1 mentioned at the outset describes a device for converting amorphous silicon using a UV laser line that is generated with the aid of a plurality of solid-state lasers. Generate the solid-state lasers an IR laser radiation in the near infrared range. The frequency of the IR laser radiation of each laser source is doubled and tripled in several stages with a non-linear crystal and in this way a UV laser radiation is generated from the IR laser radiation. In one embodiment, six UV laser beams from six such laser sources are combined to form a common illumination beam.
  • US 2020/0235544 A1 has set itself the goal of designing the process parameters, in particular the pulse energies and beam parameters of the illumination beam, in such a way that they correspond to the process parameters in excimer laser annealing. Accordingly, the pulse rate of the illumination beam should be between 100Hz and 900Hz. In one embodiment, the pulse rate is 600 Hz.
  • such applications require a laser line on the working plane that is as long as possible in one direction in order to cover the widest possible working area, and which is very short in comparison in the other direction in order to create a laser line for the respective Provide process required energy density. Accordingly, a long, thin laser line with a very large aspect ratio of line length to line width is desirable.
  • the direction in which the laser line runs is usually referred to as the long axis (LA) and the line width as the short axis (KA) of the so-called beam profile.
  • the laser line should have a defined intensity curve in both axes.
  • the laser line it is often desirable for the laser line to have an intensity profile that is as rectangular or trapezoidal as possible in the long axis, with the latter being advantageous if several laser lines are joined together in line direction to form a longer overall line.
  • a rectangular intensity profile so-called top-hat profile
  • a Gaussian profile is often required in the short axis.
  • WO 2018/019374 A1 discloses a device for generating such a laser line with numerous details relating to the elements of the optical arrangement.
  • the optical arrangement here 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 the long axis.
  • the beam transformer can also absorb several raw laser beams from several laser sources and create an expanded laser beam with higher power combine.
  • the homogenizer produces the desired beam profile in the long axis.
  • the focusing stage focuses the reshaped laser beam on a defined position in the area of the working plane.
  • the known device is suitable for LLO and SLA applications and can in principle be implemented using laser radiation with wavelengths from the infrared range (IR) to the ultraviolet range (UV).
  • IR infrared range
  • UV ultraviolet range
  • DE 10 2028 115 126 B4 discloses another device of this type, the longitudinal direction of the aperture at the output of the beam transformer being rotated here by a non-vanishing angle of rotation relative to the longitudinal direction of the line in order to optimize the intensity distribution in the long axis of the beam profile.
  • a device of the type mentioned is proposed to solve this problem, wherein the optical arrangement is adapted to generate the beam profile with a short-axis beam width that is less than 250 pm, and wherein the at least one Laser light source and the optical arrangement are set up together to generate the pulsed illumination beam in the working plane with a defined pulse rate that is greater than 1 kHz.
  • the new device produces a thinner laser line than comparable ELA devices and illuminates the working plane with a higher pulse rate than that described in US 2020/0235544 A1 mentioned at the outset. It therefore differs from excimer laser annealing in the achievable and used process parameters and is optimized to the effect that the process energy density required for material processing is "in smaller portions”, ie in a spatially narrower area, and therefore with a higher pulse rate, ie with more rapid successive laser pulses.
  • the optical assembly is configured to generate the illumination beam with a short-axis beamwidth ranging between 25pm and 200pm relative to the beamwidth at 50% of maximum intensity (Full Width at Half Maximum, FWHM). lies.
  • the illumination beam has a wavelength in the range between 340-360 nm.
  • the pulse rate is between 1 kHz and 100 kHz, preferably in a range between 5 kHz and 15 kHz.
  • the pulse lengths are advantageously in a range between 5ns-25ns. accordingly, the at least one laser light source is set up to generate laser pulses with the stated pulse lengths and pulse rates. This is possible with one or more pumped solid-state lasers in a comparatively inexpensive manner, in contrast to excimer lasers. In addition, the pulse lengths and pulse rates of pumped solid-state lasers can be controlled relatively easily. Accordingly, the new device makes advantageous use of solid-state laser technology and advantageously enables the process parameters to be more flexibly adapted to the respective process.
  • the at least one laser source has an internal power control, which is readily possible with pumped solid-state lasers. In principle, however, external power regulation is also conceivable and possible.
  • the pulse energies of the illumination beam are advantageously in a range between 10 mJ and 500 mJ. In some advantageous exemplary embodiments, the new device works with pulse energies of the order of around 40 mJ.
  • the fluence of the illumination beam is advantageously in a range between 100 mJ/cm 2 and 600 mJ/cm 2 .
  • the optical arrangement can advantageously be set up to generate the beam profile in the short axis as a top hat or as a Gaussian profile.
  • the new device can be optimized more easily for a desired workpiece processing.
  • the small line width in the short axis enables a small scan pitch, which enables formation of Crystal II structures with high spatial resolution.
  • a high spatial resolution of the Krista II structures is advantageous and desirable for making high resolution displays. Due to the high pulse rate, there is sufficient productivity despite the small scan pitch.
  • the new device is suitable for individually optimizing the spatial heat input into the material to be processed depending on individual material properties, such as heat diffusion lengths.
  • the time profile of the pulses of the illumination beam can be set individually and varied if necessary by combining a plurality of pulses that are offset in time with respect to one another.
  • the device therefore has a laser control unit that is set up to vary the defined pulse rate.
  • the laser control unit is configured to adjust the pulse rate in a range from zero (i.e. no pulse) up to 100 kHz.
  • the device is thus advantageously able to generate laser pulses on-demand or as individual pulses on the working plane. This opens up new applications.
  • the configuration enables a flexible and, in particular, material-dependent optimization of a machining process.
  • the optical arrangement contains at least one acoustic-optical modulator (AOM, in particular as a Bragg cell) which modulates one or more raw laser beams along the beam path in terms of wavelength, direction of propagation and/or intensity.
  • AOM acoustic-optical modulator
  • an AOM can be efficiently used to vary the parameters of the illumination beam of the new device in operation.
  • an electro-optical modulator in particular a Pockels cell in conjunction with a polarizer, can be used to modulate the intensity.
  • the at least one laser light source contains a first laser light source and a second laser light source, the first laser light source being set up to generate a first pulsed raw UV laser beam with first laser pulses, and the second laser light source being set up to generate a to generate a second pulsed UV laser raw beam with second laser pulses.
  • the laser control unit is set up to control the first laser light source and the second To control laser light source so that the first laser pulses and the second laser pulses are offset in time to each other.
  • the new device has 10 laser sources, each with a pumped solid-state laser, from the raw laser beams using the optical arrangement, a line-shaped illumination beam is generated on the working plane.
  • the configuration has the advantage that the pulses of the illumination beam can assume a complex pulse shape due to the time offset, for example with a plurality of maxima staggered in time, as is shown below using a number of exemplary embodiments. In this way, the energy input into the material to be processed can be further optimized.
  • the intensity of the first laser pulse in time is higher than the intensity of the second laser pulse, which is offset in time, so that the intensity of each combined illumination pulse decreases during the illumination. This is advantageous because the second laser pulse, which is offset in time, hits a material that has already been heated.
  • the configuration facilitates efficient thermal material treatment.
  • the laser control unit is set up to control the first laser light source and the second laser light source individually, so that a time offset between the first laser pulses and the second laser pulses can be set individually.
  • the laser control unit is set up to combine the first and second laser pulses into a laser pulse curve with a number of turning points.
  • the distance between the first two turning points of the respective illumination pulse is advantageously between 5 ns and 20 ns, and the distance between the subsequent turning points is between 10 ns and 50 ns.
  • the solid-state laser is constructed according to a MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) concept.
  • MOPA Master Oscillator Power Amplifier
  • the pulsed raw UV laser beam has laser pulses generated by means of the solid-state laser.
  • the solid-state laser has a basic clock with which laser pulses are generated, there being a time difference between a decoupling of the laser pulses and the basic clock, which has a standard deviation of less than 500 ps and in particular less than 200 ps.
  • a pulse energy stability of laser pulses generated by means of the solid-state laser is less than 1% and preferably less than 0.5%.
  • the solid-state laser has a master oscillator and/or a seed laser, which can generate laser pulses with any desired pulse profile within a time scale of less than 200 ns.
  • the solid-state laser preferably has a power amplifier and/or an amplifier stage, which follows a master oscillator of the solid-state laser.
  • the power amplifier and/or the amplifier stage has a slab geometry.
  • the power amplifier and/or the amplifier stage emits a top-hat-shaped intensity curve along the short axis.
  • the solid-state laser of the at least one laser source can be Q-switched in other configurations.
  • the Raw laser beam initially generated with a low power and the power is increased in at least one subsequent amplifier stage with an optical amplifier.
  • the design enables a very stable time behavior and a very low jitter between successive laser pulses. This configuration is therefore particularly advantageous in combination with the high pulse rates proposed here.
  • the device has a workpiece support which can be moved relative to the illumination beam, and a control unit which is set up to move the workpiece support relative to the illumination beam in such a way that successive pulses of the illumination beam move the workpiece support with illuminate a spatial offset that is between 2% and 10% of the short-axis beam width, advantageously at about 5%.
  • control unit controls the movement of the laser line relative to a workpiece to be machined at a defined speed of movement and in a defined direction of movement.
  • the pulse rate and the movement speed are coordinated in such a way that at least 10 and advantageously 20 to 40 laser pulses hit a workpiece point to be processed.
  • the so-called scan pitch i.e. the spatial offset of the workpiece relative to the laser line as a result of the movement, is around 1 m - 10 pm.
  • the at least one laser light source also has a conversion module, the pumped solid-state laser generating a raw IR laser beam, and the conversion module being set up to generate the at least one pulsed raw UV laser beam from the raw IR laser beam.
  • the conversion module advantageously has a non-linear optical medium that generates one or more raw UV laser beams by frequency multiplication from the raw IR laser beam.
  • the conversion module includes frequency multiplication and/or frequency tripling (third Harmony Generation, THG) and/or a frequency quintuple.
  • THG third Harmony Generation
  • the conversion module can also implement frequency doubling.
  • the phenomenon of frequency doubling or frequency tripling can occur when irradiating selected materials with high-energy laser radiation, for example when the raw IR laser beam of a Nd:YAG laser irradiates a crystal of lithium niobate, potassium dihydrogen phosphate, barium metaborate or lithium triborate. With this configuration, the new device can be implemented cost-effectively.
  • the optical arrangement has a beam transformer which is set up to split the at least one pulsed raw UV laser beam into a plurality of beam packets which are distributed in the direction of the long axis.
  • the beam transformer of this embodiment produces a directional beam quality that is smaller with respect to the long axis of the beam profile than with respect to the short axis of the beam profile.
  • the diffraction index is M 2 y ⁇ 10 in the short axis and M 2 X > 100 in the long axis. M 2 X is thus advantageously greater by a factor of 10 than M 2 y .
  • a beam transformer of the aforementioned type makes it possible in a very efficient manner to produce a thin laser line with a homogeneous intensity distribution along the long axis and at the same time a small line width in the short axis. Such a beam transformer in the beam path of the at least one raw UV laser beam thus facilitates a cost-effective and efficient implementation of the new device.
  • the optical arrangement has at least one optical element which is set up to vary a polarization of the pulsed illumination beam.
  • the illumination beam of the new device advantageously has a linear polarization, with the linear polarization in some exemplary embodiments containing polarization components both in the s-direction and in the p-direction.
  • the configuration makes it possible in a simple manner to set the polarization components of the illumination beam individually and to optimize them as a function of the desired application. Therefore bears this configuration advantageously contributes to achieving optimal process results in an efficient manner.
  • FIG. 4 shows a simplified representation of a further exemplary embodiment of the new device.
  • Fig. 1 an embodiment of the new device is denoted in its entirety by the reference numeral 10.
  • the device 10 generates a laser line 12 in the area of a working plane 14 in order to machine a workpiece (not shown here) that is placed in the area of the working plane 14 .
  • the laser line 12 runs in a direction that is referred to below as the x-axis.
  • the laser line has a line width that is viewed here in the direction of a y-axis running orthogonally to the x-axis (perpendicular to the plane of the paper). Accordingly, the x-axis corresponds to in the following the long axis and the y-axis corresponds to the short axis of a beam profile of an illumination beam 16 formed on the working plane 14.
  • a raw laser beam I with an initially largely round cross section is emitted by at least one laser light source 20 .
  • the at least one laser light source 20 contains at least two largely identical laser light sources 20a, 20b, each of which generates a raw laser beam I with an initially largely round cross section.
  • the raw laser beams I of the laser light sources 20a, 20b are arranged next to one another here along the long axis.
  • a beam guidance unit forms the respective raw laser beam I into an elliptical beam II.
  • the latter enters a respective beam transformation unit (BTU).
  • the respective output beam III from the beam transformation unit contains a plurality of beams which are arranged next to one another along the long axis and illuminate a respective imaging homogenizer (HOM).
  • the respective homogenizer generates output packets IV, which are integrated here by a 2f arrangement and are superimposed on the working level 14 .
  • a projection lens p-lens) focuses the illumination beam 16 formed by the superposition and images the output of the respective beam transformation unit (BTU) in the working plane 14 .
  • a beam profile V with a Gaussian intensity curve over the short axis, a beam profile VI with a top-hat-shaped intensity curve over the short axis or a beam profile with a complex intensity curve over the short axis (cf. 3c) can be generated.
  • the beam profile of the illumination beam 16 has a long axis with a long axis beam width LA and a short axis with a short axis beam width KA.
  • the respective beam width can be viewed in particular as the width of the intensity profile l(x, y) at 50% of the maximum intensity (FWHM, Full Width at Half Maximum).
  • Fig. 2 shows a highly simplified representation of a workpiece, which is illuminated here by way of example with the top-hat-shaped beam profile VI, on a workpiece holder 22.
  • the workpiece can include, for example, a surface layer of amorphous silicon, which using Laser line 12 is converted to polycrystalline silicon.
  • the workpiece holder 22 is moved here in the direction of an arrow 26 with the aid of a control unit 24 .
  • the device is set up in such a way that the spatial offset is between 2% and 10% of the short-axis beam width KA and in particular around 5% of the short-axis beam width KA .
  • the direction of movement of the beam profile relative to the workpiece holder 20 can advantageously correspond to the y-direction.
  • the workpiece can be a transparent carrier plate from which an adhering film, for example an OLED film, is to be detached (LLO application).
  • the spatial offset D can be between 20% and 95% of the short-axis beam width KA, for example.
  • the device 10 is shown as an example with two laser light sources 20a, 20b.
  • the device 10 can have a higher number of laser light sources, for example 4, 6, 8, 10 or 12 laser light sources, or only a single laser light source.
  • the length and/or width of the laser line 12 and/or the process energy density at each point of the laser line can be scaled via the number of laser light sources.
  • the laser light sources 20 here each contain a solid-state laser 28 that generates laser light in the infrared range.
  • the solid-state laser 28 can advantageously be a diode-pumped laser that generates a raw IR laser beam.
  • the raw IR laser beam can have a wavelength in the range of 1030 nm.
  • FWHM Full Width at Half Maximum
  • other wavelengths, pulse rates or even single-pulse operation are conceivable and possible without changing the beam parameters.
  • the laser light sources 20 also contain a conversion module 30 (THG, Third Harmony Generation).
  • the conversion module 30 includes at least one crystal of a nonlinear optical material such as lithium niobate, potassium dihydrogen phosphate, barium metaborate, or lithium triborate.
  • a nonlinear optical material such as lithium niobate, potassium dihydrogen phosphate, barium metaborate, or lithium triborate.
  • the laser light sources 20 are preferably partially coherent sources.
  • the laser light sources 20 are constructed according to the MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) concept.
  • the device 10 includes a laser control unit 32, which in some embodiments together with the control unit 24 forms a combined device controller.
  • the laser control unit 32 controls the laser light sources 20a, 20b here in such a way that the laser light source 20a generates a first pulsed raw laser beam with first laser pulses 34a and that the laser light source 20b generates a second raw pulsed laser beam with second laser pulses 34b.
  • the laser control unit 32 can control the laser light sources 20a, 20b here in such a way that the first laser pulses 34a and the second laser pulses 34b are staggered in time and thus hit a workpiece to be machined one after the other.
  • the laser control unit 32 is also able to set the time offset T between a first laser pulse 34a and a second laser pulse 34b individually, and therefore to vary it. Furthermore, in preferred exemplary embodiments, the laser control unit 32 is able to vary the pulse rate at which the laser light sources 20 repeatedly generate the respective laser pulses 34a, 34b in a range from 1 Hz to 10 kHz. In some advantageous exemplary embodiments, this can be achieved with the aid of one or more acoustic-optical modulators (AOM), which are arranged in the beam path of the raw laser beams I (not shown here) and by the laser control unit 32 be controlled. Alternatively or in addition, the laser pulses can be offset in time with one another using one or more delay lines.
  • AOM acoustic-optical modulators
  • FIG. 3a shows a pulse profile over time of an individual laser pulse 34a at the top and a temperature profile in the material that is illuminated with the laser pulse 34a below it.
  • the laser pulse at time 1 heats the material up to melting point 3. This is followed by cooling 4 because energy is required for the crystallization of the material. As soon as the crystallization of the material is complete, the temperature rises again.
  • the device 10 makes it possible in a simple manner to generate a second laser pulse 34b at time 2 with the aid of the laser control unit 32, i.e. with a time offset T to the first laser pulse 34a at time 1 .
  • the second laser pulse 34b at time 2 prevents cooling 4 that is too rapid.
  • the laser control unit 32 can be used to generate a complex pulse shape from a plurality of time-staggered laser pulses 34a, 34b, as shown in FIG. 3c.
  • the pulse shape is designed with the help of a plurality of time-staggered laser pulses 34a, 34b such that there is an initial narrow peak 1 and a subsequent hillock 2 with a lower intensity, which heats up the material.
  • the device 10 is set up to combine the first and second laser pulses 34a, 34b into a laser pulse profile with a plurality of turning points 40a, 40b, 40c, 40d
  • the optical assembly 18 here includes a plurality of optical elements.
  • the beam guidance unit (BGU) here includes two lenses 42, 44 in a telescope arrangement. This is followed by a beam transformer 46 and the imaging homogenizer with two microlens arrays 48, 50 in the long-axis beam path.
  • the beam transformer 46 can comprise a monolithic, plate-shaped element which is transparent to the incident laser radiation and has a front side and a back side which are essentially parallel to one another.
  • the front and the back each have a reflective coating, so that the incident raw laser beam II multiple reflections in the plate-shaped element experiences.
  • part of the reflected beam is decoupled laterally offset in the direction of the long axis, so that the incident raw laser beam emerges in beam packets arranged next to one another along the x-axis.
  • the beam transformer can be implemented as or with the aid of an aperture.
  • the raw beam III Since the laterally distributed beam packets pass through different optical path lengths, the raw beam III has a greatly reduced spatial coherence along the x-axis and increased spatial coherence along the y-axis compared to the incident laser beam II.
  • the projection lens 52 already mentioned above focuses the illumination beam 16 formed by the superimposition of the beam packets from the microlens array 50 and also images the output of the respective beam transformers 46 in the working plane 14 .
  • the device 10 has a plurality of laser light sources 20a, 20b, 20c, each of which generates a raw UV laser beam.
  • the raw laser beams from the laser light sources 20a, 20b, 20c are fed here to an optical element 60, which mixes the raw laser beams with one another in order to improve the homogeneity of the laser line 12 in the long axis.
  • the mixed raw laser beams are fed to two beam transformers 46 here. This is followed in turn by an imaging homogenizer with microlens arrays 48, 50 and at least one optical element, which focuses the beam in the short axis onto the working plane.
  • the optical element may include lenses that image the long axis beam onto the work plane 14 .
  • the device 10 in this exemplary embodiment has one or more optical elements 62 which set the polarization individually for each raw laser beam.
  • the polarization of the beams exiting the optical element 60 could be adjusted with one or more optical elements 62 .

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

Eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie (12) auf einer Arbeitsebene (14) besitzt zumindest eine Laserlichtquelle (20), die einen gepumpten Festkörperlaser (28) beinhaltet und zumindest einen gepulsten UV-Laserrohstrahl (I) erzeugt. Die Vorrichtung besitzt ferner eine optische Anordnung (18) mit einer Anzahl von optischen Elementen (42, 44, 46, 48, 50, 52), die einen Strahlengang für den zumindest einen gepulsten UV-Laserrohstrahl (I) definieren. Die optische Anordnung (18) ist dazu eingerichtet, einen gepulsten Beleuchtungsstrahl (16) mit einer definierten Pulsrate aus dem zumindest einen gepulsten UV-Laserrohstrahl (I) zu formen. Der gepulste Beleuchtungsstrahl (16) definiert eine Strahlrichtung, die die Arbeitsebene (14) schneidet. Der gepulste Beleuchtungsstrahl (16) besitzt im Bereich der Arbeitsebene (14) ein Strahlprofil (V; VI), das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite (LA) und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite (KA) aufweist. Gemäß einem Aspekt ist die optische Anordnung (18) dazu eingerichtet, das Strahlprofil (V; VI) mit einer Kurzachsstrahlbreite (KA) zu erzeugen, die kleiner als 250 µm ist, und die zumindest eine Laserlichtquelle (20) und die optische Anordnung (18) sind gemeinsam dazu eingerichtet, den gepulsten Beleuchtungsstrahl (16) im Bereich der Arbeitsebene (14) mit einer definierten Pulsrate zu erzeugen, die größer als 1 kHz ist.

Description

Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene, mit zumindest einer Laserlichtquelle, die einen gepumpten Festkörperlaser aufweist und die dazu eingerichtet ist, zumindest einen gepulsten UV- Laserrohstrahl zu erzeugen, und mit einer optischen Anordnung mit einer Anzahl von optischen Elementen, die einen Strahlengang für den zumindest einen gepulsten UV- Laserrohstrahl definieren, wobei die optische Anordnung dazu eingerichtet ist, einen gepulsten Beleuchtungsstrahl mit einer definierten Pulsrate aus dem zumindest einen gepulsten UV-Laserrohstrahl zu formen, wobei der gepulste Beleuchtungsstrahl eine Strahlrichtung definiert, die die Arbeitsebene schneidet, und wobei der gepulste Beleuchtungsstrahl im Bereich der Arbeitsebene ein Strahlprofil besitzt, das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweist.
[0002] Eine solche Vorrichtung ist dem Grunde nach aus US 2020/0235544 A1 bekannt. [0003] Die linienförmige Laserbeleuchtung einer solchen Vorrichtung kann vorteilhaft dazu verwendet werden, um ein Werkstück thermisch zu bearbeiten. Das Werkstück kann beispielsweise ein Kunststoffmaterial auf einer Glasplatte sein, die als Trägermaterial dient. Das Kunststoffmaterial kann insbesondere eine Folie sein, auf der organische lichtemittierende Dioden, sogenannte OLEDs, und/oder Dünnschichttransistoren hergestellt werden. OLED-Folien werden in zunehmendem Maße für Displays in Smartphones, Tablet-PCs, Fernsehgeräten und anderen Geräten mit Bildschirmanzeige verwendet. Nach Herstellung der elektronischen Strukturen muss die Folie von dem Glasträger gelöst werden. Dies kann mit einer Laserbeleuchtung in Form einer dünnen Laserlinie geschehen, die mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Glasplatte bewegt wird und dabei die Haftverbindung der Folie durch die Glasplatte hindurch löst. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als LLO bzw. Laser Lift Off bezeichnet.
[0004] Eine weitere vielgenutzte Anwendung für die sequentielle Beleuchtung eines Werkstücks mit einer definierten Laserlinie ist das zeilenweise Aufschmelzen von amorphem Silizium auf einer Trägerplatte. Die Laserlinie wird auch hier mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Werkstückoberfläche bewegt. Durch das Aufschmelzen und anschließende Abkühlen kann das vergleichsweise kostengünstige amorphe Silizium in höherwertigeres polykristallines Silizium umgewandelt werden. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als Excimer Laser Annealing (ELA) bezeichnet, weil in vielen solchen Anwendungen Excimer Laser verwendet werden. Beispielsweise offenbart US 9,564,322 B1 ein solches Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung. Excimer Laser gehören zur Gruppe der Gaslaser und benötigen eine recht große Stellfläche (Footprint). Des Weiteren ist der ELA Prozess sehr energieintensiv und das Prozessfenster für das Aufschmelzen des amorphen Siliziums ist sehr klein, weil das amorphe Silizium nicht durchgängig aufgeschmolzen werden darf. Vielmehr muss das Aufschmelzen so erfolgen, dass isolierte feste Kristallisationskeime verbleiben.
[0005] Es gibt daher Vorschläge, anstelle von Excimer Lasern Festkörperlaser zu verwenden. Zum Teil wird für solche Anwendungen dann die Bezeichnung Solid State Laser Annealing (SLA) verwendet. Die eingangs genannte US 2020/0235544 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Umwandlung von amorphem Silizium unter Verwendung eine UV-Laserlinie, die mit Hilfe von mehreren Festkörperlasern erzeugt wird. Die Festkörperlaser erzeugen eine IR-Laserstrahlung im nahen Infrarotbereich. Die Frequenz der IR-Laserstrahlung jeder Laserquelle wird mit einem nicht-linearen Kristall in mehreren Stufen verdoppelt und verdreifacht und auf diese Weise wird aus der IR-Laserstrahlung eine UV-Laserstrahlung erzeugt. In einem Ausführungsbeispiel werden sechs UV-Laserstrahlen aus sechs derartigen Laserquellen zu einem gemeinsamen Beleuchtungsstrahl zusammengeführt. US 2020/0235544 A1 hat sich zum Ziel gesetzt, die Prozessparameter, insbesondere die Pulsenergien und Strahlparameter des Beleuchtungsstrahls, so zu gestalten, dass sie den Prozessparametern beim Excimer Laser Annealing entsprechen. Dementsprechend soll die Pulsrate des Beleuchtungsstrahls zwischen 100Hz und 900Hz liegen. In einem Ausführungsbeispiel ist die Pulsrate 600 Hz.
[0006] Generell wird für derartige Anwendungen eine Laserlinie auf der Arbeitsebene benötigt, die in der einen Richtung möglichst lang ist, um eine möglichst breite Arbeitsfläche zu erfassen, und die im Vergleich dazu in der anderen Richtung sehr kurz ist, um eine für den jeweiligen Prozess benötigte Energiedichte bereitzustellen. Wünschenswert ist dementsprechend eine lange, dünne Laserlinie mit einem sehr großen Aspektverhältnis von Linienlänge zu Linienbreite. Man bezeichnet die Richtung, in der die Laserlinie verläuft, üblicherweise als lange Achse (LA) und die Linienbreite als kurze Achse (KA) des sogenannten Strahlprofils. In der Regel soll die Laserlinie in beiden Achsen einen definierten Intensitätsverlauf aufweisen. Wünschenswert ist häufig, dass die Laserlinie in der langen Achse ein möglichst rechteckiges oder trapezförmiges Intensitätsprofil besitzt, wobei Letzteres vorteilhaft sein kann, wenn mehrere Laserlinien in Linienrichtung zu einer längeren Gesamtlinie aneinandergesetzt werden. In der kurzen Achse ist je nach Anwendung häufig ein rechteckförmiges Intensitätsprofil (sogenanntes Top-Hat Profil) oder ein Gaußprofil gewünscht.
[0007] WO 2018/019374 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen einer solchen Laserlinie mit zahlreichen Details, die die Elemente der optischen Anordnung betreffen. Die optische Anordnung beinhaltet hier 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 der langen Achse auf. Prinzipiell kann der Strahltransformator auch mehrere Laserrohstrahlen von mehreren Laserquellen aufnehmen und zu einem aufgeweiteten Laserstrahl mit höherer Leistung kombinieren. Der Homogenisierer erzeugt das gewünschte Strahlprofil in der langen Achse. Die Fokussierstufe fokussiert den umgeformten Laserstrahl auf eine definierte Position im Bereich der Arbeitsebene. Die bekannte Vorrichtung eignet sich für LLO- und SLA-Anwendungen und kann prinzipiell mit Laserstrahlung mit Wellenlängen aus dem Infrarotbereich (IR) bis hin zum ultravioletten Bereich (UV) implementiert werden. DE 10 2028 115 126 B4 offenbart eine weitere Vorrichtung dieser Art, wobei die Aperturlängsrichtung am Ausgang des Strahltransformators hier um einen nicht verschwindenden Drehwinkel gegenüber der Linienlängsrichtung verdreht ist, um die Intensitätsverteilung in der langen Achse des Strahlprofils zu optimieren.
[0008] Die bekannten Vorrichtungen lassen Raum für Verbesserungen in Bezug auf die Herstel- lungs- und Betriebskosten und in Bezug auf die Prozessqualität. Dabei stellen SLA- Anwendungen höhere und zum Teil andere Anforderungen an die Eigenschaften des Strahlprofils als LLO Anwendungen, insbesondere in Bezug auf räumliche Homogenität und zeitliche Stabilität. Wünschenswert ist eine Vorrichtung, die sich auf kostengünstige Weise realisieren lässt und die eine möglichst flexible und skalierbare Verwendung für SLA- und/oder LLO-Anwendungen ermöglicht. Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die die Erzeugung einer Laserlinie mit Wellenlängen im UV-Bereich auf effiziente und kostengünstige Weise ermöglicht.
[0009] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zur Lösung dieser Aufgabe eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, wobei die optische Anordnung dazu eingerichtet ist, das Strahlprofil mit einer Kurzachsstrahlbreite zu erzeugen, die kleiner als 250 pm ist, und wobei die zumindest eine Laserlichtquelle und die optische Anordnung gemeinsam dazu eingerichtet sind, den gepulsten Beleuchtungsstrahl im Bereich der Arbeitsebene mit einer definierten Pulsrate zu erzeugen, die größer als 1 kHz ist.
[0010] Die neue Vorrichtung erzeugt eine dünnere Laserlinie als vergleichbare ELA- Vorrichtungen und beleuchtet die Arbeitsebene mit einer höheren Pulsrate als in der eingangs genannten US 2020/0235544 A1 beschrieben ist. Sie unterscheidet sich daher in den erreichbaren und verwendeten Prozessparametern von Excimer Laser Annealing und ist dahingehend optimiert, die zur Materialbearbeitung benötigte Prozessenergiedichte „in kleineren Portionen“, d.h. in einem räumlich engeren Bereich, und dafür mit einer höheren Pulsrate, d.h. mit schneller aufeinanderfolgenden Laserpulsen bereitzustellen. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die optische Anordnung dazu eingerichtet, den Beleuchtungsstrahl mit einer Strahlbreite in der kurzen Achse zu erzeugen, die in einem Bereich zwischen 25pm und 200pm bezogen auf die Strahlbreite bei 50% der maximalen Intensität (Full Width at Half Maximum, FWHM) liegt. Dabei besitzt der Beleuchtungsstrahl in den bevorzugten Ausführungsbeispielen eine Wellenlänge im Bereich zwischen 340- 360nm. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen liegt die Pulsrate zwischen 1 kHz und 100 kHz, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 kHz und 15 kHz. Die Pulslängen liegen vorteilhaft in einem Bereich zwischen 5ns-25ns. dementsprechend ist die zumindest eine Laserlichtquelle dazu eingerichtet, Laserpulse mit den genannten Pulslängen und Pulsraten zu erzeugen. Dies ist mit einem oder mehreren gepumpten Festkörperlasern im Gegensatz zu Excimer Lasern auf vergleichsweise kostengünstige Weise möglich. Darüber hinaus lassen sich die Pulslängen und Pulsraten von gepumpten Festkörperlasern vergleichsweise einfach steuern. Dementsprechend macht die neue Vorrichtung vorteilhaften Gebrauch von der Festkörperlasertechnologie und sie ermöglicht eine vorteilhafte flexiblere Anpassung der Prozessparameter an den jeweiligen Prozess.
[0011] Vorteilhaft besitzt die zumindest eine Laserquelle eine interne Leistungsregelung, was mit gepumpten Festkörperlasern ohne weiteres möglich ist. Prinzipiell ist aber auch eine externe Leistungsregelung denkbar und möglich. Die Pulsenergien des Beleuchtungsstrahls liegen vorteilhaft in einem Bereich zwischen 10mJ und 500m J. In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen arbeitet die neue Vorrichtung mit Pulsenergien in einer Größenordnung von etwa 40 mJ. Die Fluenz des Beleuchtungsstrahls liegt vorteilhaft in einem Bereich zwischen 100mJ/cm2 bis 600 mJ/cm2. Vorteilhaft kann die optische Anordnung dazu eingerichtet sein, das Strahlprofil in der kurzen Achse als Top-Hat- oder als Gaußprofil zu erzeugen.
[0012] Da die Laserpulse des Beleuchtungsstrahls der neuen Vorrichtung schneller aufeinander folgen als bei dem eingangs beschriebenen ELA Prozess, lässt sich die neue Vorrichtung einfacher für eine gewünschte Werkstückbearbeitung optimieren. Die geringe Linienbreite in der kurzen Achse ermöglicht einen kleinen Scan-Pitch, was eine Ausbildung von Krista II Strukturen mit hoher räumlicher Auflösung ermöglicht. Eine hohe räumliche Auflösung der Krista II Strukturen ist vorteilhaft und wünschenswert, um hochauflösende Displays herzustellen. Aufgrund der hohen Pulsrate ergibt sich trotz kleinem Scan-Pitch eine hinreichende Produktivität. Darüber hinaus eignet sich die neue Vorrichtung aufgrund der hohen Pulsrate in Kombination mit der schmalen Laserlinie, um den räumlichen Wärmeeintrag in das zu bearbeitende Material in Abhängigkeit von individuellen Materialeigenschaften, wie etwa Wärmediffusionslängen, individuell zu optimieren. Beispielsweise kann der zeitliche Verlauf der Pulse des Beleuchtungsstrahls durch Kombination mehrerer, zeitlich zueinander versetzter Pulse individuell eingestellt und bei Bedarf variiert werden.
[0013] In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt die Vorrichtung daher eine Lasersteuereinheit, die dazu eingerichtet ist, die definierte Pulsrate zu variieren.
[0014] Wie schon erwähnt, ist dies mit Festkörperlasern auf vergleichsweise einfache Weise möglich. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Lasersteuereinheit dazu eingerichtet, die Pulsrate in einem Bereich von Null (d.h. kein Puls) bis hin zu 100 kHz einzustellen. Vorteilhaft ist die Vorrichtung damit in der Lage, Laserpulse on-demand bzw. als Einzelpulse auf der Arbeitsebene zu erzeugen. Dies eröffnet neue Anwendungen. Die Ausgestaltung ermöglicht darüber hinaus eine flexible und insbesondere materialabhängige Optimierung eines Bearbeitungsprozesses. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen beinhaltet die optische Anordnung zumindest einen akustisch-optischen Modulator (AOM, insbesondere als Bragg-Zelle), der einen oder mehreren Laserrohstrahlen entlang des Strahlengangs in Bezug auf die Wellenlänge, Ausbreitungsrichtung und/oder Intensität moduliert. Ein solcher AOM kann effizient verwendet werden, um die Parameter des Beleuchtungsstrahls der neuen Vorrichtung im Betrieb zu variieren. Alternativ oder zusätzlich kann ein elektro-optischer Modulator (EOM), insbesondere eine Pockels-Zelle in Verbindung mit einem Polarisator, eingesetzt werden, um die Intensität zu modulieren.
[0015] In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die zumindest eine Laserlichtquelle eine erste Laserlichtquelle und eine zweite Laserlichtquelle, wobei die erste Laserlichtquelle dazu eingerichtet ist, einen ersten gepulsten UV-Laserrohstrahl mit ersten Laserpulsen zu erzeugen, und wobei die zweite Laserlichtquelle dazu eingerichtet ist, einen zweiten gepulsten UV-Laserrohstrahl mit zweiten Laserpulsen zu erzeugen. Des Weiteren ist die Lasersteuereinheit dazu eingerichtet ist, die erste Laserlichtquelle und die zweite Laserlichtquelle so zu steuern, dass die ersten Laserpulse und die zweiten Laserpulse zeitlich versetzt zueinander sind.
[0016] In einem Ausführungsbeispiel besitzt die neue Vorrichtung 10 Laserquellen mit jeweils einem gepumpten Festkörperlaser, aus deren Laserrohstrahlen mit Hilfe der optischen Anordnung ein linienförmiger Beleuchtungsstrahl auf der Arbeitsebene erzeugt wird. Die Ausgestaltung besitzt aber auch schon mit zwei Laserquellen den Vorteil, dass die Pulse des Beleuchtungsstrahls durch den zeitlichen Versatz eine komplexe Pulsform annehmen können, etwa mit mehreren zeitlich gestaffelten Maxima, wie nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiel gezeigt ist. Damit kann der Energieeintrag in das zu bearbeitende Material weiter optimiert werden. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Intensität des zeitlich ersten Laserpulses höher als die Intensität des zeitlich versetzten zweiten Laserpulses, so dass die Intensität jedes kombinierten Beleuchtungspulses während der Beleuchtung abnimmt. Das ist vorteilhaft, weil der zeitlich versetzte zweite Laserpuls auf ein bereits aufgeheiztes Material trifft. Die Ausgestaltung erleichtert eine effiziente thermische Materialbehandlung.
[0017] In einer weiteren Ausgestaltung ist die Lasersteuereinheit dazu eingerichtet, die erste Laserlichtquelle und die zweite Laserlichtquelle individuell zu steuern, so dass ein zeitlicher Versatz zwischen den ersten Laserpulsen und den zweiten Laserpulsen individuell einstellbar ist.
[0018] Die Ausgestaltung ermöglicht eine sehr variable Pulsformung über den individuell einstellbaren zeitlichen Versatz. Damit erleichtert diese Ausgestaltung die Prozessoptimierung auf effiziente Weise.
[0019] In einer weiteren Ausgestaltung ist die Lasersteuereinheit dazu eingerichtet ist, die ersten und zweiten Laserpulse zu einem Laserpulsverlauf mit mehreren Wendepunkten zu kombinieren.
[0020] Diese Ausgestaltung trägt zu einer sehr präzisen, räumlich-periodischen Kristallisierung bei SLA Anwendungen bei, da der Kristallisierungsprozess an jeder Bearbeitungsstelle mehrfach angestoßen wird. Vorteilhaft liegt der Abstand der ersten beiden Wendepunkte des jeweiligen Beleuchtungspulses in einigen Ausführungsbeispielen zwischen 5ns-20ns und der Abstand der darauffolgenden Wendepunkte liegt zwischen 10ns-50ns. Diese Parameter führen zu einer sehr kontrollierten Kristallbildung bei einer SLA Anwendung.
[0021] Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Festkörperlaser nach einem MOPA (Master Oscillator Power Amplifier)-Konzept aufgebaut ist.
[0022] Insbesondere weist der gepulste UV-Laserrohstrahl mittels des Festkörperlasers erzeugte Laserpulse auf.
[0023] Insbesondere weist der Festkörperlaser einen Grundtakt auf, mit welchem Laserpulse erzeugt werden, wobei zwischen einer Auskopplung der Laserpulse und dem Grundtakt ein zeitlicher Unterschied besteht, welcher eine Standardabweichung von weniger als 500 ps und insbesondere weniger als 200 ps aufweist.
[0024] Insbesondere beträgt eine Pulsenergiestabilität von mittels des Festkörperlasers erzeugten Laserpulsen weniger als 1% und bevorzugt weniger als 0,5%.
[0025] Insbesondere weist der Festkörperlaser einen Master Oscillator und/oder einen Seed-La- ser auf, welcher Laserpulse mit einem beliebigen Pulsverlauf innerhalb einer Zeitskala von weniger als 200 ns erzeugen kann.
[0026] Vorzugsweise weist der Festkörperlaser einen Power Amplifier und/oder eine Verstärkerstufe auf, welche auf einen Master Oscillator des Festkörperlasers folgt. Insbesondere weist der Power Amplifier und/oder die Verstärkerstufe eine Slab-Geometrie auf.
[0027] Es kann vorgesehen sein, dass der Power Amplifier und/oder die Verstärkerstufe einen Top-Hat-förmigen Intensitätsverlauf entlang der kurzen Achse emittiert.
[0028] Bei einer Ausführungsform kann der Festkörperlaser der zumindest einen Laserquelle in anderen Ausgestaltungen gütegeschaltet sein. In der bevorzugten Ausgestaltung wird der Rohlaserstrahl zunächst mit einer geringen Leistung erzeugt und die Leistung wird in mindestens einer nachfolgenden Verstärkerstufe mit einem optischen Verstärker erhöht. Die Ausgestaltung ermöglicht ein sehr stabiles Zeitverhalten und einen sehr geringen Jitter zwischen aufeinanderfolgenden Laserpulsen. Daher ist diese Ausgestaltung besonders vorteilhaft in Kombination mit den hier vorgeschlagenen hohen Pulsraten.
[0029] In einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine Werkstückauflage auf, die relativ zu dem Beleuchtungsstrahl bewegbar ist, sowie eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, die Werkstückauflage relativ zu dem Beleuchtungsstrahl so zu bewegen, dass zeitlich aufeinanderfolgende Pulse des Beleuchtungsstrahls die Werkstückauflage mit einem räumlichen Versatz beleuchten, der zwischen 2% und 10% der Kurzachsstrahlbreite, vorteilhaft bei etwa 5% liegt.
[0030] In dieser Ausgestaltung steuert die Steuereinheit die Bewegung der Laserlinie relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück mit einer definierten Bewegungsgeschwindigkeit und in einer definierten Bewegungsrichtung. Die Pulsrate und die Bewegungsgeschwindigkeit sind so abgestimmt, dass auf eine zu bearbeitende Werkstückstelle zumindest 10 und vorteilhaft 20 bis 40 Laserpulse treffen. In einigen Ausführungsbeispielen liegt der sogenannte Scan-Pitch, d.h. der räumliche Versatz des Werkstücks relativ zu der Laserlinie infolge der Bewegung, bei etwa 1 m - 10pm. Diese Parameter ermöglichen eine sehr effiziente Aufheizung von amorphem Silizium und haben sich sowohl für SLA Anwendungen aber auch für LLO Anwendungen als vorteilhaft erwiesen.
[0031] In einer weiteren Ausgestaltung weist die zumindest eine Laserlichtquelle ferner ein Konversionsmodul auf, wobei der gepumpte Festkörperlaser einen IR- Laserrohstrahl erzeugt, und wobei das Konversionsmodul dazu eingerichtet ist, den zumindest einen gepulsten UV-Laserrohstrahl aus dem IR-Laserrohstrahl zu erzeugen.
[0032] Vorteilhaft weist das Konversionsmodul ein nicht-lineares optisches Medium auf, das einen oder mehrere UV-Laserrohstrahlen durch Frequenzvervielfachung aus IR- Laserrohstrahl erzeugt. In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen beinhaltet das Konversionsmodul eine Frequenzvervielfachung und/oder Frequenzverdreifachung (Third Harmonie Generation, THG) und/oder eine Frequenzverfünffachung. Prinzipiell kann das Konversionsmodul aber auch eine Frequenzverdopplung implementieren. Das Phänomen der Frequenzverdopplung oder Frequenzverdreifachung kann bei der Bestrahlung von ausgewählten Materialien mit energiereicher Laserstrahlung auftreten, beispielsweise wenn der IR-Laserrohstrahl eines Nd:YAG-Lasers einen Kristall aus Lithiumniobat, Kaliumdihydrogenphosphat, Bariummetaborat oder Lithiumtriborat bestrahlt. Mit dieser Ausgestaltung kann die neue Vorrichtung kostengünstig realisiert werden.
[0033] In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung einen Strahltransformator auf, der dazu eingerichtet ist, den zumindest einen gepulsten UV-Laserrohstrahl in mehrere, in Richtung der langen Achse verteilte Strahlpakete aufzuteilen.
[0034] Vorzugsweise erzeugt der Strahltransformator dieser Ausgestaltung eine richtungsabhängige Strahlqualität, die in Bezug auf die lange Achse des Strahlprofils kleiner ist als in Bezug auf die kurze Achse des Strahlprofils. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Beugungsmaßzahl M2 y <10 in der kurzen Achse und M2 X >100 in der langen Achse. Vorteilhaft ist M2 X somit um einen Faktor 10 größer als M2 y. Ein Strahltransformator der vorgenannten Art ermöglicht auf sehr effiziente Weise die Realisierung einer dünnen Laserlinie mit einer homogenen Intensitätsverteilung entlang der langen Achse und zugleich einer geringen Linienbreite in der kurzen Achse. Damit erleichtert ein solcher Strahltransformator im Strahlengang des zumindest einen UV-Laserrohstrahls eine kostengünstige und effiziente Realisierung der neuen Vorrichtung.
[0035] In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung zumindest ein optisches Element auf, das dazu eingerichtet ist, eine Polarisation des gepulsten Beleuchtungsstrahls zu variieren.
[0036] Vorteilhaft besitzt der Beleuchtungsstrahl der neuen Vorrichtung eine lineare Polarisation, wobei die lineare Polarisation in einigen Ausführungsbeispielen Polarisationsanteile sowohl in s-Richtung als auch in p-Richtung beinhalten. Die Ausgestaltung macht es auf einfache Weise möglich, die Polarisationsanteile des Beleuchtungsstrahls individuell einzustellen und in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung zu optimieren. Daher trägt diese Ausgestaltung vorteilhaft dazu bei, optimale Prozessergebnisse auf effiziente Weise zu erreichen.
[0037] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
[0038] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung des Strahlprofils des Beleuchtungsstrahls auf der Arbeitsebene der neuen Vorrichtung,
Fig. 3 drei beispielhafte Darstellungen von einem bzw. zwei zeitlich zueinander versetzten Laserpulsen, die eine Stelle auf einem Werkstück beleuchten, sowie den Temperaturverlauf des Materials an dieser Stelle,
Fig. 4 eine vereinfachte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung.
[0039] In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 erzeugt eine Laserlinie 12 im Bereich einer Arbeitsebene 14, um ein Werkstück (hier nicht dargestellt) zu bearbeiten, das im Bereich der Arbeitsebene 14 platziert ist. Die Laserlinie 12 verläuft in einer Richtung, die im Folgenden als x-Achse bezeichnet ist. Die Laserlinie besitzt eine Linienbreite, die hier in Richtung einer orthogonal zur x-Achse (Senkrecht zur Papierebene) verlaufenden y- Achse betrachtet wird. Dementsprechend korrespondiert die x-Achse im Folgenden mit der langen Achse und die y-Achse korrespondiert mit der kurzen Achse eines auf der Arbeitsebene 14 gebildeten Strahlprofils eines Beleuchtungsstrahls 16.
[0040] Fig. 1 zeigt die Erzeugung der Laserlinie 12 im oberen Teil mit Blick auf die lange Achse und im unteren Teil mit Blick auf die kurze Achse. Ein Laserrohstrahl I mit einem zunächst weitgehend runden Querschnitt wird von zumindest einer Laserlichtquelle 20 emittiert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beinhaltet die zumindest eine Laserlichtquelle 20 zumindest zwei weitgehend baugleiche Laserlichtquellen 20a, 20b, die jeweils einen Laserrohstrahl I mit einem zunächst weitgehend runden Querschnitt erzeugen. Die Laserrohstrahlen I der Laserlichtquellen 20a, 20b sind hier entlang der langen Achse nebeneinander angeordnet.
[0041] Eine Strahlführungseinheit (BGU) formt den jeweiligen Laserrohstrahl I zu einem elliptischen Strahl II. Letzterer tritt in eine jeweilige Strahltransformationseinheit (BTU). Der jeweilige Ausgangsstrahl III aus der Strahltransformationseinheit beinhaltet mehrere Strahlenbündel, die entlang der langen Achse nebeneinander angeordnet sind und einen jeweiligen abbildenden Homogenisierer (HOM) beleuchten. Der jeweilige Homogenisierer erzeugt Ausgangspakete IV, die hier durch eine 2f-Anordnung integriert und in der Arbeitsebene 14 überlagert werden. Eine Projektionslinse (p-Linse) fokussiert den durch die Überlagerung gebildeten Beleuchtungsstrahl 16 und bildet den Ausgang der jeweiligen Strahltransformationseinheit (BTU) in der Arbeitsebene 14 ab. Mit einer solchen optischen Anordnung 18 kann wahlweise ein Strahlprofil V mit einem gaußförmigen Intensitätsverlauf über der kurzen Achse, ein Strahlprofil VI mit einem Top-Hat-förmigen Intensitätsverlauf über der kurzen Achse oder auch ein Strahlprofil mit einem komplexen Intensitätsverlauf über der kurzen Achse (vgl. Fig. 3c) erzeugt werden.
[0042] In jedem Fall besitzt das Strahlprofil des Beleuchtungsstrahls 16 eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite LA und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite KA. Die jeweilige Strahlbreite kann insbesondere als Breite des Intensitätsprofils l(x, y) bei 50% der Maximalintensität (FWHM, Full Width at Half Maximum) betrachtet werden. [0043] Fig. 2 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung ein Werkstück, das hier beispielhaft mit dem Top-Hat-förmigen Strahlprofil VI beleuchtet wird, auf einer Werkstückaufnahme 22. Das Werkstück kann beispielsweise eine Oberflächenschicht aus amorphem Silizium beinhalten, die mit Hilfe der Laserlinie 12 zu polykristallinem Silizium umgewandelt wird. Zur Bearbeitung wird die Werkstückaufnahme 22 hier mit Hilfe einer Steuereinheit 24 in Richtung eines Pfeils 26 bewegt. Infolge dessen treffen zeitlich aufeinander folgende Pulse des Beleuchtungsstrahls 16 die Werkstückoberfläche mit einem räumlichen Versatz D. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung so eingerichtet, dass der räumlichen Versatz zwischen 2% und 10% der Kurzachsstrahlbreite KA und insbesondere bei etwa 5% der Kurzachsstrahlbreite KA liegt. Die Bewegungsrichtung des Strahlprofils relativ zu der Werkstückaufnahme 20 kann vorteilhaft der y-Richtung entsprechen. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Werkstück eine transparente Trägerplatte sein, von der eine anhaftende Folie, beispielsweise eine OLED-Folie, gelöst werden soll (LLO Anwendung). In diesem Fall kann der räumliche Versatz D beispielsweise zwischen 20% bis 95% der Kurzachsstrahlbreite KA liegen.
[0044] In Fig. 1 ist die Vorrichtung 10 beispielhaft mit zwei Laserlichtquellen 20a, 20b dargestellt. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 10 eine höhere Anzahl an Laserlichtquellen, beispielsweise 4, 6, 8, 10 oder 12 Laserlichtquellen, oder nur eine einzelne Laserlichtquelle aufweisen. Über die Anzahl der Laserlichtquellen kann man die Länge und/oder Breite der Laserlinie 12, und/oder die Prozessenergiedichte an jeder Stelle der Laserlinie skalieren.
[0045] Die Laserlichtquellen 20 beinhalten hier jeweils einen Festkörperlaser 28, der Laserlicht im Infrarotbereich erzeugt. Vorteilhaft kann der Festkörperlaser 28 ein diodengepumpter Laser sein, der einen IR-Laserrohstrahl erzeugt. Beispielhaft kann der IR-Laserrohstrahl eine Wellenlänge im Bereich von 1030 nm aufweisen. Vorteilhaft ist der Festkörperlaser 28 hier in der Lage, Laserpulse im Bereich von T ~ 20 ns Halbwertsbreite (FWHM, Full Width at Half Maximum) mit einer Wiederholrate von f = 10 kHz auszusenden. Andere Wellenlängen, Pulsraten oder auch ein Einzelpulsbetrieb sind aber ohne Änderung der Strahlparameter denkbar und möglich. [0046] Die Laserlichtquellen 20 beinhalten hier ferner ein Konversionsmodul 30 (THG, Third Harmonie Generation). Das Konversionsmodul 30 beinhaltet mindestens einen Kristall aus einem nichtlinearen optischen Material, wie etwa Lithiumniobat, Kaliumdihydrogenphosphat, Bariummetaborat oder Lithiumtriborat. Durch die Bestrahlung des Kristalls mit dem IR- Laserrohstrahl aus dem Festkörperlaser 28 werden Dipolschwingungen im Kristall angeregt, die zu einer Frequenzvervielfachung und/oder Frequenzverdreifachung der ausgangsseitigen Laserstrahlung führen. Vorzugsweise sind zwei Kristalle vorgesehen, in welchen jeweils durch die Bestrahlung mit dem IR-Laserrohstrahl Dipolschwingungen angeregt werden. Dementsprechend liefert jede Laserquelle 20 hier beispielhaft einen UV- Laserrohstrahl I mit einer Wellenlänge von A = 343 nm, einer Beugungsmaßzahl von etwa M2 ~ 20 bis 25 und einer Pulsenergie von etwa E = 40 mJ. Die Laserlichtquellen 20 sind vorzugsweise teilkohärente Quellen. In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Laserlichtquellen 20 nach dem MOPA (Master Oscillator Power Amplifier)-Kon- zept aufgebaut.
[0047] Die Vorrichtung 10 beinhaltet eine Lasersteuereinheit 32, die in einigen Ausführungsbeispielen zusammen mit der Steuereinheit 24 eine kombinierte Vorrichtungssteuerung bildet. Die Lasersteuereinheit 32 steuert die Laserlichtquellen 20a, 20b hier so an, dass die Laserlichtquelle 20a einen ersten gepulsten Laserrohstrahl mit ersten Laserpulsen 34a erzeugt und dass die Laserlichtquelle 20b einen zweiten gepulsten Laserrohstrahl mit zweiten Laserpulsen 34b erzeugt. Wie in Fig. 1 angedeutet ist, kann die Lasersteuereinheit 32 die Laserlichtquellen 20a, 20b hier so ansteuern, dass die ersten Laserpulse 34a und die zweiten Laserpulse 34b zeitlich versetzt zueinander sind und somit zeitlich nacheinander auf ein zu bearbeitendes Werkstück treffen. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Lasersteuereinheit 32 außerdem in der Lage, den zeitlichen Versatz T zwischen einem ersten Laserpuls 34a und einem zweiten Laserpuls 34b individuell einzustellen, mithin zu variieren. Des Weiteren ist die Lasersteuereinheit 32 in bevorzugten Ausführungsbeispielen in der Lage, die Pulsrate, mit der die Laserlichtquellen 20 die jeweiligen Laserpulse 34a, 34b wiederholt erzeugen, in einem Bereich von 1 Hz bis 10 kHz zu variieren. Dies kann in einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen mit Hilfe von einem oder mehreren akustisch-optischen Modulatoren (AOM) erreicht werden, die im Strahlengang der Laserrohstrahlen I angeordnet sind (hier nicht dargestellt) und von der Lasersteuereinheit 32 angesteuert werden. Alternativ oder ergänzend können die Laserpulse mit einer oder mehreren Verzögerungsleitungen zeitlich zueinander versetzt werden.
[0048] Die Vorteile einer solchen individuellen Steuerung der Laserlichtquellen 20a, 20b lassen sich anhand Fig. 3 erkennen. Fig. 3a zeigt oben einen zeitlichen Pulsverlauf eines einzelnen Laserpulses 34a und darunter einen Temperaturverlauf in dem Material, das mit dem Laserpuls 34a beleuchtet wird. Der Laserpuls zum Zeitpunkt 1 heizt das Material bis zur Schmelztemperatur 3 auf. Anschließend kommt es zu einem Abkühlen 4, weil für die Kristallisation des Materials Energie benötigt wird. Sobald die Kristallisation des Materials abgeschlossen ist, steigt die Temperatur wieder an. Wie in Fig. 3b dargestellt ist, macht es die Vorrichtung 10 auf einfache Weise möglich, mit Hilfe der Lasersteuereinheit 32 einen zweiten Laserpuls 34b zum Zeitpunkt 2 zu erzeugen, d.h. mit einem zeitlichen Versatz T zu dem ersten Laserpuls 34a zum Zeitpunkt 1 . Der zweite Laserpuls 34b zum Zeitpunkt 2 verhindert ein zu schnelles Abkühlen 4. In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann mit Hilfe der Lasersteuereinheit 32 eine komplexe Pulsform aus mehreren zeitlich gestaffelten Laserpulsen 34a, 34b erzeugt werden, wie dies in Fig. 3c dargestellt ist. Hier ist die Pulsform mit Hilfe von mehreren zeitlich versetzten Laserpulsen 34a, 34b so gestaltet, dass es einen anfänglichen schmalen Peak 1 und einen nachfolgenden Hügel 2 mit geringerer Intensität gibt, der das Material nachheizt. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung 10 dazu eingerichtet, die ersten und zweiten Laserpulse 34a, 34b zu einem Laserpulsverlauf mit mehreren Wendepunkten 40a, 40b, 40c, 40d zu kombinieren
[0049] Wie in Fig. 1 dargestellt ist, beinhaltet die optische Anordnung 18 hier eine Vielzahl von optischen Elementen. Die Strahlführungseinheit (BGU) beinhaltet hier zwei Linsen 42, 44 in einer Teleskopanordnung. Daran schließen sich hier im Langachsstrahlengang jeweils ein Strahltransformator 46 und der abbildende Homogenisierer mit zwei Mikrolinsenarrays 48, 50 an.
[0050] Der Strahltransformator 46 kann in bevorzugten Ausführungsbeispielen ein für die einfallende Laserstrahlung transparentes, monolithisches, plattenförmiges Element mit einer Vorderseite und einer Rückseite beinhalten, die im Wesentlichen parallel zueinander stehen. Die Vorderseite und die Rückseite besitzen jeweils eine reflektierende Beschichtung, so dass der einfallende Laserrohstrahl II mehrfache Reflexionen in dem plattenförmigen Element erfährt. Dabei wird jeweils ein Teil des reflektierten Strahls lateral in Richtung der langen Achse versetzt ausgekoppelt, so dass der einfallende Laserrohstrahl in nebeneinander angeordneten Strahlpaketen entlang der x-Achse austritt. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Strahltransformator als oder mit Hilfe einer Blende realisiert sein. Da die lateral verteilten Strahlpakete unterschiedliche optische Weglängen durchlaufen, besitzt der Rohstrahl III entlang der x-Achse eine stark verringerte räumliche Kohärenz und entlang der y-Achse eine vergrößerte räumliche Kohärenz im Vergleich zu dem einfallenden Laserstrahl II. Die schon weiter oben erwähnte Projektionslinse 52 fokussiert den durch die Überlagerung der Strahlpakete aus dem Mikrolinsenarray 50 gebildeten Beleuchtungsstrahl 16 und bildet außerdem den Ausgang der jeweiligen Strahltransformatoren 46 in der Arbeitsebene 14 ab.
[0051] Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 in einer stark vereinfachten Darstellung. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente wie zuvor. Die Vorrichtung 10 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel mehrere Laserlichtquellen 20a, 20b, 20c, die jeweils einen UV-Laserrohstrahl erzeugen. Die Laserrohstrahlen der Laserlichtquellen 20a, 20b, 20c sind hier einem optischen Element 60 zugeführt, das die Laserrohstrahlen miteinander mischt, um so die Homogenität der Laserlinie 12 in der langen Achse zu verbessern. Die gemischten Laserrohstrahlen sind hier zwei Strahltransformatoren 46 zugeführt. Danach folgt wiederum ein abbildender Homogenisierer mit Mikrolinsenarrays 48, 50 und mindestens ein optisches Element, welches den Strahl in kurzer Achse auf die Arbeitsebene fokussiert. Das optische Element kann Linsen beinhalten, die den Strahl in langer Achse auf die Arbeitsebene 14 abbilden. Außerdem besitzt die Vorrichtung 10 in diesem Ausführungsbeispiel ein oder mehrere optische Elemente 62, die die Polarisation für jeden Laserrohstrahl individuell einstellen. Alternativ könnte die Polarisation der aus dem optischen Element 60 austrittsseitigen Strahlen mit einem oder mehreren optischen Elementen 62 eingestellt werden.

Claims

Patentansprüche Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie (12) auf einer Arbeitsebene (14), mit zumindest einer Laserlichtquelle (20), die einen gepumpten Festkörperlaser (28) aufweist und die dazu eingerichtet ist, zumindest einen gepulsten UV- Laserrohstrahl (I) zu erzeugen, mit einer optischen Anordnung (18) mit einer Anzahl von optischen Elementen (42, 44, 46, 48, 50, 52), die einen Strahlengang für den zumindest einen gepulsten UV-Laserrohstrahl (I) definieren, wobei die optische Anordnung (18) dazu eingerichtet ist, einen gepulsten Beleuchtungsstrahl (16) mit einer definierten Pulsrate aus dem zumindest einen gepulsten UV- Laserrohstrahl (I) zu formen, wobei der gepulste Beleuchtungsstrahl (16) eine Strahlrichtung definiert, die die Arbeitsebene (14) schneidet, und wobei der gepulste Beleuchtungsstrahl (16) im Bereich der Arbeitsebene (14) ein Strahlprofil (V; VI) besitzt, das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite (LA) und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahl breite (KA) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (18) dazu eingerichtet ist, das Strahlprofil (V; VI) mit einer Kurzachsstrahlbreite (KA) zu erzeugen, die kleiner als 250 pm ist, und dass die zumindest eine Laserlichtquelle (20) und die optische Anordnung (18) gemeinsam dazu eingerichtet sind, den gepulsten Beleuchtungsstrahl (16) im Bereich der Arbeitsebene (14) mit einer definierten Pulsrate zu erzeugen, die größer als 1 kHz ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Lasersteuereinheit (32), die dazu eingerichtet ist, die definierte Pulsrate zu variieren. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Laserlichtquelle (20) eine erste Laserlichtquelle (20a) und eine zweite Laserlichtquelle (20b) beinhaltet, wobei die erste Laserlichtquelle (20a) dazu eingerichtet ist, einen ersten gepulsten UV-Laserrohstrahl mit ersten Laserpulsen (34a) zu erzeugen, und wobei die zweite Laserlichtquelle (20b) dazu eingerichtet ist, einen zweiten gepulsten UV-Laserrohstrahl mit zweiten Laserpulsen zu erzeugen, und ferner gekennzeichnet durch eine Lasersteuereinheit (32), die dazu eingerichtet ist, die erste Laserlichtquelle (20a) und die zweite Laserlichtquelle (20b) so zu steuern, dass die ersten Laserpulse (34a) und die zweiten Laserpulse (34b) zeitlich versetzt zueinander sind. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasersteuereinheit (32) dazu eingerichtet ist, die erste Laserlichtquelle (20a) und die zweite Laserlichtquelle (20b) individuell zu steuern, so dass ein zeitlicher Versatz (T) zwischen den ersten Laserpulsen (34a) und den zweiten Laserpulsen (34b) individuell einstellbar ist. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasersteuereinheit (32) dazu eingerichtet ist, die ersten und zweiten Laserpulse (34a, 34b) zu einem Laserpulsverlauf mit mehreren Wendepunkten (40a, 40b, 40c, 40d) zu kombinieren. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser (28) nach einem MOPA (Master Oscillator Power Amplifier)-Kon- zept aufgebaut ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser (28) einen Grundtakt aufweist, mit welchem Laserpulse erzeugt werden, wobei zwischen einer Auskopplung der Laserpulse und dem Grundtakt ein zeitlicher Unterschied besteht, welcher eine Standardabweichung von weniger als 500 ps und insbesondere weniger als 200 ps aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsenergiestabilität von mittels des Festkörperlasers (28) erzeugten Laserpulsen weniger als 1% und bevorzugt weniger als 0,5% beträgt. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner gekennzeichnet durch eine Werkstückauflage (22), die relativ zu dem Beleuchtungsstrahl (16) bewegbar ist, und eine Steuereinheit (24), die dazu eingerichtet ist, die Werkstückauflage (22) relativ zu dem Beleuchtungsstrahl (16) so zu bewegen, dass zeitlich 19 aufeinanderfolgende Pulse des Beleuchtungsstrahls (16) die Werkstückauflage
(22) mit einem räumlichen Versatz (D) beleuchten, der zwischen 2% und 10% der Kurzachsstrahlbreite (KA) liegt. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Laserlichtquelle (20) ferner ein Konversionsmodul (30) aufweist, wobei der gepumpte Festkörperlaser (28) einen IR-Laserrohstrahl erzeugt, und wobei das Konversionsmodul (30) dazu eingerichtet ist, den zumindest einen gepulsten UV-Laserrohstrahl (I) aus dem IR-Laserrohstrahl zu erzeugen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (18) einen Strahltransformator (46) aufweist, der dazu eingerichtet ist, den zumindest einen gepulsten UV-Laserrohstrahl (I) in mehrere, in Richtung der langen Achse verteilte Strahlpakete aufzuteilen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (18) zumindest ein optisches Element (62) aufweist, das dazu eingerichtet ist, eine Polarisation des gepulsten Beleuchtungsstrahls (16) zu variieren.
PCT/EP2022/083135 2021-12-20 2022-11-24 Vorrichtung zum erzeugen einer definierten laserlinie auf einer arbeitsebene Ceased WO2023117293A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021133903.0A DE102021133903A1 (de) 2021-12-20 2021-12-20 Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene
DE102021133903.0 2021-12-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023117293A1 true WO2023117293A1 (de) 2023-06-29

Family

ID=84487762

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2022/083135 Ceased WO2023117293A1 (de) 2021-12-20 2022-11-24 Vorrichtung zum erzeugen einer definierten laserlinie auf einer arbeitsebene

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102021133903A1 (de)
WO (1) WO2023117293A1 (de)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9564322B1 (en) 2015-11-13 2017-02-07 Samsung Display Co., Ltd. Method of excimer laser annealing
WO2018019374A1 (en) 2016-07-27 2018-02-01 Trumpf Laser Gmbh Laser line illumination
DE102018115126B4 (de) 2018-06-22 2020-02-13 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstahls in einen linienartigen Ausgangsstrahl sowie Lasersystem mit einer solchen optischen Anordnung
US20200235544A1 (en) 2019-01-22 2020-07-23 Coherent, Inc. Diode-pumped solid-state laser apparatus for laser annealing
DE102019112141A1 (de) * 2019-05-09 2020-11-12 Innovavent Gmbh Verfahren und optisches System zur Bearbeitung eines Halbleitermaterials

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9564322B1 (en) 2015-11-13 2017-02-07 Samsung Display Co., Ltd. Method of excimer laser annealing
WO2018019374A1 (en) 2016-07-27 2018-02-01 Trumpf Laser Gmbh Laser line illumination
DE102018115126B4 (de) 2018-06-22 2020-02-13 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstahls in einen linienartigen Ausgangsstrahl sowie Lasersystem mit einer solchen optischen Anordnung
US20200235544A1 (en) 2019-01-22 2020-07-23 Coherent, Inc. Diode-pumped solid-state laser apparatus for laser annealing
DE102019112141A1 (de) * 2019-05-09 2020-11-12 Innovavent Gmbh Verfahren und optisches System zur Bearbeitung eines Halbleitermaterials

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HUNEUS FLORIAN ET AL: "Compact line focus system for laser-based debonding of flexible electronic components", SPIE PROCEEDINGS; [PROCEEDINGS OF SPIE ISSN 0277-786X], SPIE, US, vol. 10906, 4 March 2019 (2019-03-04), pages 109060G - 109060G, XP060119392, ISBN: 978-1-5106-3673-6, DOI: 10.1117/12.2513763 *
INNOVAVENT: "UV Solid State Laser Annealing UV Line Beam on beam dump UV Solid State Laser Annealing using VOLCANO LINE BEAM Optics Superior p-Si Film Quality for OLED TFT Back Plates", 1 May 2019 (2019-05-01), XP093031781, Retrieved from the Internet <URL:https://www.innovavent.com/files/UV-Solid-State-Laser-Annealing-05.2019.pdf> [retrieved on 20230315] *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021133903A1 (de) 2023-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102018200078B4 (de) Optisches System und Verfahren zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie
EP2844416B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur bearbeitung eines werkstücks mit laserstrahlung
EP3854513B1 (de) System zur asymmetrischen optischen strahlformung
DE102008031937A1 (de) Mehrstrahl-Laservorrichtung
DE102007009924A1 (de) Durchlaufbeschichtungsanlage, Verfahren zur Herstellung kristalliner Dünnschichten und Solarzellen sowie Solarzelle
EP4210896A1 (de) Verfahren zum trennen eines werkstücks
DE102019108131A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Ausbildung von VIA-Laserbohrungen
EP4034329A1 (de) Verfahren zum herstellen von mikrostrukturen an einem optischen kristall
DE112022002455T5 (de) Verfahren und vorrichtung zum lasertempern
EP3768460B1 (de) Verfahren zur bearbeitung eines werkstücks mittels bestrahlung mit laserstrahlung sowie vorrichtung hierzu
EP3515637A1 (de) Vorrichtung zur beaufschlagung eines arbeitsbereichs mit laserstrahlung, insbesondere 3d-druck-vorrichtung
WO2020225016A1 (de) Verfahren und optisches system zur bearbeitung eines halbleitermaterials
WO2023117293A1 (de) Vorrichtung zum erzeugen einer definierten laserlinie auf einer arbeitsebene
DE102021113406B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer definierten Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene
DE102020121440B4 (de) Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene
DE102021125623B3 (de) Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene
EP4259373A1 (de) Laserbearbeitung eines teiltransparenten werkstücks mit einem quasi-nichtbeugenden laserstrahl
DE102021125621B3 (de) Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene
WO2001043243A2 (de) Lasersystem mit steuerbarer pulsdauer
WO2022074095A1 (de) Vorrichtung zum erzeugen einer laserlinie auf einer arbeitsebene
DE10301482A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Kristallisation amorpher Siliziumschichten
DE102018103131B4 (de) Vorrichtung zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie, optisches System und Verfahren zum Verarbeiten mindestens eines eintreffenden Laserstrahls
DE102022114645A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Verarbeiten mindestens eines Teilbereichs eines Schichtsystems
WO2023237613A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum verarbeiten mindestens eines teilbereichs eines schichtsystems
WO2023237610A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum verarbeiten mindestens eines teilbereichs eines schichtsystems

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: 22822063

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 22822063

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1