DE102013011637A1 - Apparatus and method for thermally treating a substrate - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Behandeln eines Substrats, insbesondere eines Saphirsubstrats (10), wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: – einen Substratträger (30), der eine Substrataufnahme (34) zur Anordnung des Substrats (10) am Substratträger (30) aufweist, – zumindest eine Laserquelle (20) zur Erzeugung einer zur Substrataufnahme (34) gerichteten Laserstrahlung (21), und – zumindest eine Laser-Strahlformungseinheit (22) zur Erzeugung einer transversalen räumlichen Intensitätsverteilung (24) der Laserstrahlung (21), welche Intensitätsverteilung (24) im Bereich einer transversalen Ausdehnung der Substrataufnahme (34) allenfalls lokale Intensitätsmaxima (26a) oder lokale Intensitätsminima (26b) aufweist, in welchen die Intensität der Laserstrahlung (21) um weniger als 20% von einer über die transversale Ausdehnung der Substrataufnahme (34) gemittelten Intensität (25) der Laserstrahlung (21) abweicht.The present invention relates to a device and a method for thermally treating a substrate, in particular a sapphire substrate (10), the device comprising: a substrate carrier (30) having a substrate receptacle (34) for mounting the substrate (10) on the substrate carrier (30), - at least one laser source (20) for generating a laser radiation (21) directed to the substrate holder (34), and - at least one laser beam shaping unit (22) for generating a transverse spatial intensity distribution (24) of the laser radiation (21) which intensity distribution (24) in the region of a transverse extent of the substrate receptacle (34) has at most local intensity maxima (26a) or local intensity minima (26b) in which the intensity of the laser radiation (21) is less than 20% of one beyond the transverse extent the substrate receiving (34) average intensity (25) of the laser radiation (21) deviates.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Behandeln eines Substrats, insbesondere eines kristallinen Substrats, wie zum Beispiel eines Saphirsubstrats. Das Verfahren und die Vorrichtung sind hierbei insbesondere dazu vorgesehen, das Substrat auf eine Bearbeitungstemperatur zu erhitzen, bei welcher ein thermisches Härten bzw. Tempern des Substrats erfolgt.The present invention relates to an apparatus and a method for thermally treating a substrate, in particular a crystalline substrate, such as a sapphire substrate. The method and the apparatus are in this case provided, in particular, for heating the substrate to a processing temperature at which thermal curing or tempering of the substrate takes place.
Hintergrundbackground
Zur Herabsetzung einer Defektdichte und/oder zur Herabsetzung von intrinsischen mechanischen Spannungen von typischerweisen planaren Substraten ist es bekannt, das Substrat einem Temperprozess zu unterziehen, bei welchem das Substrat auf eine Temperatur erhitzt wird, die nur geringfügig unterhalb des Schmelzpunkts des Substratmaterials liegt. Auf diese Art und Weise können makroskopische als auch mikroskopische Oberflächendefekte, wie sie typischerweise durch vorangegangene Bearbeitungsschritte, etwa durch Sägen, Schleifen oder Polieren hervorgerufen wurden, weitgehend ausheilen.In order to reduce a defect density and / or reduce intrinsic mechanical stresses of typical planar substrates, it is known to subject the substrate to an annealing process in which the substrate is heated to a temperature only slightly below the melting point of the substrate material. In this way, macroscopic as well as microscopic surface defects, as typically caused by previous processing steps, such as sawing, grinding or polishing, can heal to a large extent.
Ein gängiges thermisches Behandlungsverfahren für derartige Substrate wird zum Beispiel in der
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines Substrats bereitzustellen, welche ein möglichst zügiges und dementsprechend kosten- und zeiteinsparendes thermisches Behandeln, insbesondere ein Tempern des Substrats ermöglicht.The present invention is therefore based on the object to provide a method and apparatus for the thermal treatment of a substrate, which allows the fastest possible and therefore cost and time-saving thermal treatment, in particular a tempering of the substrate.
Erfindung und vorteilhafte AusgestaltungenInvention and advantageous embodiments
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines Substrats gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind hierbei jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche.This object is achieved with a device for the thermal treatment of a substrate according to the
Insoweit ist eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines Substrats vorgesehen. Die Vorrichtung weist hierfür einen Substratträger mit einer Substrataufnahme zur Anordnung des Substrats am Substratträger auf. Ferner weist die Vorrichtung zumindest eine Laserquelle zur Erzeugung einer zur Substrataufnahme gerichteten Laserstrahlung auf und die Vorrichtung ist zudem mit zumindest einer Laser-Strahlformungseinheit ausgestattet.In that regard, an apparatus for thermally treating a substrate is provided. For this purpose, the device has a substrate carrier with a substrate receptacle for arranging the substrate on the substrate carrier. Furthermore, the device has at least one laser source for generating a laser radiation directed toward the substrate receptacle, and the device is additionally equipped with at least one laser beam-shaping unit.
Diese ist zur Erzeugung einer transversalen räumlichen Intensitätsverteilung der Laserstrahlung ausgebildet, wobei die Intensitätsverteilung im Bereich einer transversalen Ausdehnung der Substrataufnahme allenfalls lokale Intensitätsmaxima oder lokale Intensitätsminima aufweist, in welchen die Intensität der Laserstrahlung um weniger als 20% von einer über die transversale Ausdehnung der Substrataufnahme gemittelten Intensität der Laserstrahlung abweicht.This is designed to generate a transverse spatial intensity distribution of the laser radiation, wherein the intensity distribution in the region of a transverse extent of the substrate recording has at most local intensity maxima or local intensity minima, in which the intensity of the laser radiation is less than 20% of averaged over the transverse extent of the substrate recording Intensity of the laser radiation deviates.
Mit anderen Worten sind die Laserquelle und die Laser-Strahlformungseinheit derart ausgebildet, dass das an oder in der Substrataufnahme angeordnete Substrat über seine typischerweise planare Substratfläche im Wesentlichen homogen mit Laserstrahlung beaufschlagbar ist. Auf diese Art und Weise kann ein möglichst spannungsfreies, zugleich aber zügiges Erwärmen bzw. Aufheizen des Substrats mittels der auf das Substrat einwirkenden Laserstrahlung erfolgen.In other words, the laser source and the laser beam shaping unit are designed such that the substrate arranged on or in the substrate holder can be acted upon substantially homogeneously with laser radiation via its typically planar substrate surface. In this way, a tension-free, but at the same time rapid heating or heating of the substrate by means of the laser radiation acting on the substrate can take place.
Die zur thermischen Behandlung des Substrats vorgesehene Wellenlänge der Laserstrahlung liegt in einem Bereich, in welchem das thermisch zu behandelnde Substrat eine für die thermische Behandlung ausreichende Absorptionscharakteristik aufweist. Die Wellenlänge oder der Spektralbereich der von der Laserquelle zu erzeugenden Laserstrahlung kann daher jeweils in Abhängigkeit des Substratmaterials variieren.The wavelength of the laser radiation provided for the thermal treatment of the substrate lies in a region in which the substrate to be thermally treated has an absorption characteristic which is sufficient for the thermal treatment. The wavelength or the spectral range of the laser radiation to be generated by the laser source can therefore vary depending on the substrate material.
Mittels dem laserinduzierten Aufheizen kann ein zielgerichtetes, zügiges sowie über die Substratfläche weitgehend homogenes Aufheizen des Substrats verwirklicht werden. Insbesondere können durch die über die transversale Ausdehnung der Substrataufnahme im Wesentlichen konstante Intensitätsverteilung der Laserstrahlung etwaige durch thermische Ausdehnung bedingte Spannungen innerhalb des Substrats reduziert bzw. minimiert werden, sodass ein besonders zügiges Aufheizen auf eine Bearbeitungstemperatur weitgehend ohne Gefahr von thermisch bedingten Rissen oder Spannungen erfolgen kann.By means of the laser-induced heating, a targeted, rapid as well as substantially homogeneous heating of the substrate over the substrate surface can be realized. In particular, the intensity distribution of the laser radiation, which is substantially constant over the transversal extent of the substrate receptacle, can reduce or minimize any stresses within the substrate caused by thermal expansion, so that a particularly rapid heating to a processing temperature can take place largely without danger of thermally induced cracks or tensions ,
Anders als bei einem konvektiven Wärmetransport können mittels der auf die Substrataufnahme und somit auch auf das Substrat gerichteten transversal homogen ausgestalteten Intensitätsverteilung sämtliche Flächensegmente des Substrats in Punkto Energiedeposition pro Flächeneinheit gleichermaßen aufgeheizt werden. Unlike a convective heat transport, all surface segments of the substrate can be equally heated in terms of energy deposition per unit area by means of the transversely homogeneously designed intensity distribution directed at the substrate receptacle and thus also at the substrate.
Die geometrische Ausgestaltung der Substrataufnahme entspricht typischerweise den Außenabmessungen bzw. der Dimension des zu behandelnden Substrats. Je nach vorgesehener Halterung des Substrats auf oder am Substratträger kann die Fläche der Substrataufnahme in etwa direkt der mit Laserstrahlung zu beaufschlagenden Substratfläche entsprechen und abgesehen von der Dicke des Substrats auch direkt mit der Substratfläche zusammenfallen.The geometric configuration of the substrate receptacle typically corresponds to the outer dimensions or the dimension of the substrate to be treated. Depending on the intended mounting of the substrate on or on the substrate carrier, the surface of the substrate holder can correspond approximately directly to the substrate surface to be acted upon by laser radiation and, apart from the thickness of the substrate, also coincide directly with the substrate surface.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weicht die Intensität der Laserstrahlung im Bereich der transversalen Ausdehnung der Substrataufnahme lokal um weniger als 10%, weniger als 5%, weniger als 2% oder um weniger als 1% von der über die transversale Ausdehnung der Substrataufnahme bzw. über die transversale Ausdehnung der Substratfläche gemittelten Intensität ab. Derartige Homogenitätsanforderungen sind insbesondere von der Bruchfestigkeit sowie der thermischen Leitfähigkeit als auch der Intensität bzw. der Leistungsdichte der Laserstrahlung abhängig.According to one embodiment of the invention, the intensity of the laser radiation in the region of the transverse extent of the substrate receiving deviates locally by less than 10%, less than 5%, less than 2% or less than 1% of that over the transverse extent of the substrate receptacle or over the transverse extent of the substrate surface average intensity. Such homogeneity requirements are particularly dependent on the breaking strength and the thermal conductivity as well as the intensity or the power density of the laser radiation.
Wird das Substrat z. B. relative langsam aufgeheizt, so können vergleichsweise große lokale Intensitätsabweichungen von der räumlich bzw. transversal gemittelten Intensität durchaus tolerierbar sein. Je schneller das Substrat mittels der Laserstrahlung aufgeheizt werden soll, je höher folglich der Energieeintrag pro Zeiteinheit ist, desto höher sind jedoch die Anforderungen an die transversale Homogenität der Intensitätsverteilung der Laserstrahlung auf dem Substrat bzw. im Bereich der das Substrat aufnehmenden Substrataufnahme des Substratträgers.If the substrate z. B. relatively slowly heated so comparatively large local intensity deviations from the spatially or transversely averaged intensity can be quite tolerable. However, the faster the substrate is to be heated by means of the laser radiation, the higher the energy input per unit of time, the higher are the requirements for the transverse homogeneity of the intensity distribution of the laser radiation on the substrate or in the region of the substrate receiving the substrate carrier receiving the substrate.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt die optische Leistungsdichte der Laserquelle zwischen 1 W/cm2 und 500 W/cm2 im Bereich der Substrataufnahme, konkret an oder auf einer Substrataufnahmefläche, sowie auf dem dort zu behandelnden Substrat. Soll mit der Vorrichtung zum Beispiel ein Substrat mit einer Substratfläche von zum Beispiel 20 cm2 behandelt werden, so sollte die optische Leistung der Laserquelle zwischen 100 W und 10 kW betragen. Mittels derart leistungsstarken Laserquellen kann das betreffende Substrat innerhalb einiger weniger Sekunden auf die geforderte Bearbeitungstemperatur erhitzt werden.According to a further embodiment of the invention, the optical power density of the laser source is between 1 W / cm 2 and 500 W / cm 2 in the region of the substrate receptacle, specifically on or on a substrate receiving surface, as well as on the substrate to be treated there. For example, if the device is to be treated with a substrate having a substrate area of, for example, 20 cm 2 , the optical power of the laser source should be between 100 W and 10 kW. By means of such powerful laser sources, the substrate in question can be heated to the required processing temperature within a few seconds.
So sind optische Leistungsdichten der Laserquelle im Bereich von 10 W/cm2 bis 250 W/cm2, sowie von 50 W/cm2 bis 200 W/cm2 als auch von 100 W/cm2 bis 200 W/cm2 oder von 100 W/cm2 bis 150 W/cm2 denkbar.Thus, optical power densities of the laser source in the range of 10 W / cm 2 to 250 W / cm 2 , and from 50 W / cm 2 to 200 W / cm 2 and from 100 W / cm 2 to 200 W / cm 2 or 100 W / cm 2 to 150 W / cm 2 conceivable.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Laserquelle gepulst oder im Dauerstrichbetrieb, d. h. im Continuous-Wave(cw)-Modus betreibbar. Hierbei ist vorgesehen, dass die Laserquelle auch die zuvor angegebenen Leistungsdichten im cw-Modus bereitstellen kann. So ist insbesondere das Betreiben der Laserquelle im kontinuierlichen cw-Modus für ein zügiges Aufheizen des Substrats besonders geeignet.According to a further embodiment, the laser source is pulsed or in continuous wave mode, d. H. operable in continuous wave (cw) mode. In this case, it is provided that the laser source can also provide the previously stated power densities in the cw mode. In particular, the operation of the laser source in the continuous cw mode for a rapid heating of the substrate is particularly suitable.
Ein gepulster Betrieb kann jedoch zumindest teilweise während des Aufheizens von Vorteil sein. Ein zeitweises Abschalten oder Deaktivieren der Laserquelle, wie es im gepulsten Betrieb erfolgt, ermöglicht nämlich ein thermisches Relaxieren des Substrats. Sollte die räumliche Intensitätsverteilung des am Substrat anliegenden Laserstrahls derartige lokale Intensitätsschwankungen aufweisen, die zur Induzierung einer die Materialbelastungsgrenze übersteigenden thermischer Spannungen im Substrat führen würden, kann das Substrat in den Pulspausen der gepulsten Laserstrahlung thermisch relaxieren, sodass einzelne Flächensegmente des Substrats, welche gegenüber angrenzenden Flächensegmenten mit einer lokal erhöhten Intensität beaufschlagt wurden, durch die Wärmeleitung innerhalb des Substrats auf das Temperaturniveau der angrenzenden Flächensegmente ”abkühlen” bzw. sich dem Substrat-Umgebungstemperaturniveau angleichen.However, pulsed operation may be at least partially beneficial during heating. A temporary switching off or deactivating of the laser source, as it is done in pulsed mode, namely allows a thermal relaxation of the substrate. Should the spatial intensity distribution of the laser beam applied to the substrate have such local intensity fluctuations that would induce a thermal stress in the substrate exceeding the material load limit, the substrate may relax thermally in the pulse pauses of the pulsed laser radiation, so that individual surface segments of the substrate which face adjacent surface segments have been applied with a locally increased intensity, by the heat conduction within the substrate to the temperature level of the adjacent surface segments "cool down" or adapt to the substrate ambient temperature level.
Etwaige lokale Temperaturunterschiede des Substrats, die infolge lokal variierender Intensitätsverteilungen der Laserstrahlung entstehen können, sind durch Wärmeleitung innerhalb des Substrats in den entsprechenden Pulspausen weitgehend ausgleichbar. Es erweist sich hierbei als vorteilhaft, wenn die Pulspausen bzw. die Repetitionsrate und die Pulsdauer der gepulsten Laserstrahlung in Abhängigkeit bzw. unter Berücksichtigung der räumlich transversalen Intensitätsverteilung der Laserstrahlung auf der Substratfläche sowie unter Berücksichtigung der thermischen Leitfähigkeit des Substratmaterials gewählt sind.Possible local temperature differences of the substrate, which may arise as a result of locally varying intensity distributions of the laser radiation, can be largely compensated by heat conduction within the substrate in the corresponding pulse pauses. It proves to be advantageous in this case if the pulse pauses or the repetition rate and the pulse duration of the pulsed laser radiation are selected depending on or taking into account the spatially transverse intensity distribution of the laser radiation on the substrate surface and taking into account the thermal conductivity of the substrate material.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Laserquelle zur Erzeugung von Laserstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 1 μm und 11 μm ausgebildet. Sofern ein Saphirsubstrat thermisch behandelt werden soll, sind Laserquellen mit einer Laserstrahlung einer Wellenlänge im Bereich größer 5 μm vorzusehen. Monokristalliner Saphir weist im Spektralbereich zwischen 200 nm und 5 μm einen vergleichsweise hohen Transmissionsgrad und hiermit einhergehend einen dementsprechend geringen Absorptionsgrad auf. Für die thermische Behandlung von Saphirsubstraten ist es daher vorteilhaft, Laserstrahlung im Bereich oberhalb von 5 μm zu verwenden. Für jenen Spektralbereich sind besonders leistungsstarke Laserquellen vergleichsweise kostengünstig zu beziehen. Beispielsweise kann als Laserquelle ein gepumpter CO2-Laser vorgesehen werden.According to a further embodiment, the laser source for generating laser radiation is formed with a wavelength between 1 micron and 11 microns. If a sapphire substrate is to be thermally treated, laser sources with a laser radiation of a wavelength in the range greater than 5 microns are provided. Monocrystalline sapphire has a comparatively high degree of transmittance in the spectral range between 200 nm and 5 μm and, associated therewith, a correspondingly low degree of absorption. For the thermal treatment of Sapphire substrates, it is therefore advantageous to use laser radiation in the range above 5 microns. For this spectral range, particularly powerful laser sources can be obtained relatively inexpensively. For example, a pumped CO 2 laser can be provided as the laser source.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung zum thermischen Behandeln des Substrats ein gegenüber der Umgebung weitgehend thermisch isoliertes Gehäuse zur Aufnahme des Substratträgers, mithin zur Aufnahme des zumindest einen Substrats auf. Ein thermisch isoliertes Gehäuse dient der Bildung einer räumlich homogenen Temperaturzone im Bereich des Substratträgers, dessen Substrataufnahme und letztlich im Bereich des dort vorzusehenden Substrats. Externe Störeinflüsse, wie sie zum Beispiel durch Feuchtigkeit, Staub oder Schmutz gegeben sind, können hierdurch weitgehend minimiert werden. Auch kann mittels des thermisch isolierten Gehäuses eine thermische Energiedissipation an die Umgebung möglichst minimiert werden, was zur Verbesserung der energetischen Gesamtbilanz und der Betriebskosten der thermischen Behandlungsvorrichtung beiträgt.In accordance with a further embodiment, the device for the thermal treatment of the substrate has a housing which is largely thermally insulated from the environment for receiving the substrate carrier, and thus for receiving the at least one substrate. A thermally insulated housing serves to form a spatially homogeneous temperature zone in the region of the substrate carrier, its substrate receptacle and ultimately in the region of the substrate to be provided there. External disturbances, such as those caused by moisture, dust or dirt, can be minimized as a result. Also, a thermal energy dissipation to the environment can be minimized as possible by means of the thermally insulated housing, which contributes to improving the overall energy balance and the operating costs of the thermal treatment device.
Das Gehäuse kann nach einer Weiterbildung der Erfindung ferner eine hinsichtlich der vorgesehenen Laserstrahlung reflektierende Innenoberfläche aufweisen. Zumindest können einzelne Teilbereiche der Innenoberfläche bezüglich der für das thermische Behandeln jeweils vorgesehenen Laserstrahlung reflektierend bzw. hochreflektierend ausgebildet sein. Die reflektierende Innenoberfläche kann insbesondere diffus reflektierend ausgebildet sein, sodass etwaige an der Innenoberfläche reflektierte Strahlen zur Beaufschlagung des Substrats mit Laserstrahlung beitragen können. Als Reflektor kommt hierbei insbesondere eine Beschichtung mit Gold oder das Anbringen entsprechender Goldfolien im Innenraum des Gehäuses infrage.The housing may further comprise, according to a development of the invention, an inner surface which is reflective with respect to the intended laser radiation. At least individual subregions of the inner surface can be designed to be reflective or highly reflective with respect to the respectively provided for the thermal treatment laser radiation. In particular, the reflective inner surface may be designed to be diffusely reflecting, so that any rays reflected on the inner surface may contribute to the application of laser radiation to the substrate. As a reflector in this case in particular a coating with gold or the attachment of appropriate gold foils in the interior of the housing in question.
Durch Bereitstellung eines thermisch isolierten Gehäuses kann insbesondere auch das Abkühlen des zuvor auf eine Bearbeitungstemperatur aufgeheizten Substrats in kontrollierter Art und Weise erfolgen. Die thermische Isolierung des Gehäuses kann nämlich einer abrupten Abkühlung des zuvor auf eine Bearbeitungstemperatur aufgeheizten Substrats effektiv entgegenwirken.By providing a thermally insulated housing, the cooling of the substrate, which has previously been heated to a processing temperature, can in particular also be carried out in a controlled manner. Namely, the thermal insulation of the housing can effectively counteract abrupt cooling of the previously heated substrate to a processing temperature.
Unabhängig davon ist ferner denkbar, dass die Laser-Strahlformungseinheit zur Erzeugung mehrerer Teilstrahlen ausgebildet ist, die mittels der Laser-Strahlformungseinheit sowie optional mittels geeigneter Strahlführungs- oder Strahlumlenkeinrichtungen, wie zum Beispiel Spiegeln, diversen refraktiven oder diffraktiven optischen Elementen oder Laserleitenden Fasern das Substrat nicht nur von einer Richtung, sozusagen unidirektional, sondern aus unterschiedlichen Richtungen bi- oder multidirektional mit Strahlung beaufschlagen können. Eine mehrfache und gleichzeitige Beaufschlagung des Substrats mit mehreren Teilstrahlen oder mit dementsprechend von mehreren Laserquellen erzeugten Laserstrahlen kann den Aufheizprozess weiter optimieren bzw. zeitlich beschleunigen.Irrespective of this, it is furthermore conceivable that the laser beam shaping unit is designed to generate a plurality of partial beams that do not support the substrate by means of the laser beam shaping unit and optionally by means of suitable beam guiding or beam deflection devices, such as mirrors, various refractive or diffractive optical elements or laser-conducting fibers can act on radiation from one direction only, so to speak unidirectionally, but from different directions bi- or multidirectional. A multiple and simultaneous exposure of the substrate with a plurality of partial beams or laser beams correspondingly generated by a plurality of laser sources can further optimize or accelerate the heating process.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung zum thermischen Behandeln des Substrats zudem zumindest eine Temperaturmesseinrichtung zur Bestimmung der Temperatur des am Substratträgers angeordneten Substrats auf. Als Temperaturmesseinrichtung kommen hierbei insbesondere Thermoelemente oder Pyrometer infrage.According to a further embodiment, the device for the thermal treatment of the substrate also has at least one temperature measuring device for determining the temperature of the substrate arranged on the substrate carrier. As a temperature measuring device here in particular thermocouples or pyrometer in question.
Die Temperaturmesseinrichtung kann hierbei entweder zum abscannenden Messen einzelner oder unterschiedlicher Punkte der Substratfläche ausgebildet sein oder sogar eine transversale räumliche Temperaturverteilung messen. Mittels der Temperaturmesseinrichtung kann der thermische Behandlungsprozess in situ gesteuert und geregelt, insbesondere der gemessenen Temperatur entsprechend nachgeregelt werden. So können für unterschiedliche Temperaturbereiche des Substrats während dessen Aufheizens unterschiedliche Laserstrahlintensitäten, unterschiedliche Pulsdauern oder Repetitionsraten vorgesehen und dementsprechend eingestellt werden.In this case, the temperature measuring device can either be designed for the scanning measurement of individual or different points of the substrate surface or even measure a transverse spatial temperature distribution. By means of the temperature measuring device, the thermal treatment process can be controlled and regulated in situ, in particular the measured temperature can be readjusted accordingly. Thus, for different temperature ranges of the substrate during its heating, different laser beam intensities, different pulse durations or repetition rates can be provided and adjusted accordingly.
Ferner ermöglicht die Temperaturmessung eine Prozesskontrolle. Sollte ein Substrat etwa innerhalb einer vorgegebenen Behandlungszeit einen vorgesehene Temperatur nicht erreichen, so ist dies ein Indiz dafür, dass eine Fehlfunktion der Vorrichtung vorliegt, die ein Eingreifen des Anwenders erfordert.Furthermore, the temperature measurement allows a process control. If a substrate does not reach a designated temperature within a predetermined treatment time, this is an indication that there is a malfunction of the device that requires intervention by the user.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist insoweit ferner eine Steuereinrichtung vorgesehen, die zumindest zur Ansteuerung der Laserquelle und/oder der Laser-Strahlformungseinheit ausgebildet ist. Mittels der Steuereinrichtung können insbesondere die von der Temperaturmesseinrichtung ermittelten Messsignale ausgewertet und entsprechend der gemessenen Temperatur zur Ansteuerung von Laserquelle und/oder Laser-Strahlformungseinheit verwendet werden.According to a further embodiment, a control device is furthermore provided insofar as it is designed at least for driving the laser source and / or the laser beam shaping unit. By means of the control device, in particular the measurement signals determined by the temperature measuring device can be evaluated and used in accordance with the measured temperature for driving the laser source and / or laser beam shaping unit.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest eine der nachfolgenden genannten Parameter: Strahlintensität, Stahlleistungsdichte, räumliche transversale Intensitätsverteilung, insbesondere im Bereich der Substrataufnahme bzw. im Bereich des Substrats, die Pulsdauer der Laserstrahlung bei Verwendung gepulster Laserstrahlung sowie die Repetitionsrate der gepulsten Laserstrahlung in Abhängigkeit der absoluten Temperatur des Substrats und/oder in Abhängigkeit einer transversalen räumlichen Temperaturverteilung des Substrats variierbar.According to a further embodiment of the invention, at least one of the following parameters is: beam intensity, steel power density, spatial transverse intensity distribution, in particular in the region of the substrate holder or in the region of the substrate, the pulse duration of the laser radiation using pulsed laser radiation and the repetition rate of the pulsed laser radiation in dependence the absolute temperature of the substrate and / or depending on a transversal spatial temperature distribution of the substrate variable.
Die Veränderung der genannten Parameter, betreffend die Intensität, die Pulsdauer als auch die Repetitionsrate der Laserstrahlung können insbesondere durch Messung der am Substrat vorherrschenden Temperatur und mittels der Steuereinrichtung derart variiert und modifiziert werden, dass das Substrat über seine gesamte Substratfläche, möglichst unter Minimierung thermischer Spannung im Substrat homogen und/oder kontinuierlich aufgeheizt bzw. auf einer Bearbeitungstemperatur gehalten werden kann.The change in the parameters mentioned, with regard to the intensity, the pulse duration and the repetition rate of the laser radiation, can be varied and modified in particular by measuring the temperature prevailing at the substrate and by means of the control device such that the substrate extends over its entire substrate surface, if possible while minimizing thermal stress can be homogeneously and / or continuously heated in the substrate or maintained at a processing temperature.
Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass bei denkbaren und nicht unvermeidlichen räumlichen Schwankungen der lokalen Intensitätsverteilung des am Substrat vorliegenden Laserstrahls die Pulsdauer reduziert und/oder die Repetitionsrate der gepulsten Laserstrahlung verringert wird. Auf diese Art und Weise kann das Substrat sozusagen aufgeheizt werden, wobei das Substrat in den Pausen zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen thermisch derart relaxieren kann, dass etwaige räumlich inhomogen aufgeheizte Flächen- oder Volumenabschnitte des Substrats durch Wärmeleitung innerhalb des Substrats ausgeglichen werden können.In this case, it is provided in particular that the pulse duration is reduced and / or the repetition rate of the pulsed laser radiation is reduced in the case of conceivable and unavoidable spatial fluctuations of the local intensity distribution of the laser beam present on the substrate. In this way, the substrate can be heated so to speak, wherein the substrate can thermally relax in the intervals between successive pulses such that any spatially inhomogeneously heated surface or volume portions of the substrate can be compensated by heat conduction within the substrate.
Eine derartige räumliche und thermische Relaxation kann etwa beim thermischen Behandeln oder Tempern eines Saphirsubstrats von Bedeutung sein, da Saphir ein mit in etwa 40 W/(mK) bei Zimmertemperatur eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, die zwar bei ansteigender Temperatur sinkt, bei etwa 1200°C aber immer noch in etwa 4 W/(mK) aufweist.Such spatial and thermal relaxation may be important in, for example, the thermal treatment or annealing of a sapphire substrate, since sapphire has a comparatively high thermal conductivity of about 40 W / (mK) at room temperature, which decreases with increasing temperature, at about 1200 ° C but still in about 4 W / (mK) has.
Anstelle oder ergänzend zu einer Variation von Pulsdauer oder Repetitionsrate ist ferner denkbar, die Gesamtlaserintensität herabzusetzen, wodurch der Aufheizprozess verzögert werden kann, das Substrat aber weitaus besser thermisch relaxieren kann.Instead of or in addition to a variation of pulse duration or repetition rate, it is further conceivable to reduce the overall laser intensity, as a result of which the heating process can be delayed, but the substrate can relax much better thermally.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zum Tempern von Saphirsubstraten, etwa von Saphirscheiben vorgesehen. Insoweit ist die Vorrichtung dazu geeignet und dafür ausgelegt, dass zumindest eine bzw. eine Vielzahl von Saphirsubstraten auf eine Temperatur von zumindest 1800°C innerhalb einiger oder weniger Sekunden aufzuheizen. Mit der Vorrichtung können sogar Bearbeitungstemperaturen, zum Tempern oder Annealen von zumindest 1900°C, 1950°C oder sogar von etwa 2000°C erreicht werden. Die derart hohe Bearbeitungstemperaturen sind für ein zügiges Bearbeiten bzw. für ein zügiges Tempern der Saphirsubstrate von Vorteil.The device according to the invention is intended in particular for tempering sapphire substrates, such as sapphire disks. In that regard, the apparatus is suitable and adapted to heat at least one or a plurality of sapphire substrates to a temperature of at least 1800 ° C within a few or a few seconds. With the device even processing temperatures, for annealing or annealing of at least 1900 ° C, 1950 ° C or even from about 2000 ° C can be achieved. Such high processing temperatures are advantageous for rapid processing or rapid tempering of the sapphire substrates.
Die infolge der Aufheizung in Gang gesetzten Prozesse zum Ausheilen von Oberflächenstörstellen oder Defekten können bei derartigen Temperaturen bereits nach einigen wenigen Sekunden nahezu vollständig abgeschlossen sein. Auf diese Art und Weise können innerhalb einer vorgegebenen Zeit eine Vielzahl von Saphirsubstraten, etwa im Batch-Betrieb, das heißt nacheinander getempert werden.The processes initiated as a result of heating to heal surface defects or defects can be almost completely finished after only a few seconds at such temperatures. In this way, a large number of sapphire substrates can be annealed within a predetermined time, for example in batch mode, that is to say successively.
Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu behandelnden Substrate können beliebige Geometrien aufweisen. Entsprechend der Geometrie des zu behandelnden Substrats sind vorrichtungstechnisch jeweils auf die Substratgeometrie abgestimmte Substrataufnahmen bzw. dementsprechend ausgestaltete Substratträger vorzusehen. Beispielsweise kann das Substrat eine kreisrunde oder rechteckige planare Grundgeometrie mit Kantenlängen im Bereich von 5 cm bis 20 cm, typischerweise im Bereich zwischen 5 cm und 10 cm aufweisen. Bei kreisrunden oder ovalen Grundgeometrien sind Kreis- oder Ovaldurchmesser im Bereich von 2 bis 15 cm denkbar. Die Dicke der zu behandelnden Substrate kann typischerweise zwischen 0,2 mm bis einigen Millimeter, so etwa bis 3 mm variieren. Typischerweise kann das Substrat eine Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 1 mm aufweisen.The substrates to be treated with the device according to the invention may have any desired geometries. Corresponding to the geometry of the substrate to be treated, substrate receptacles or, respectively, substrate carriers adapted in each case to the substrate geometry are to be provided. For example, the substrate may have a circular or rectangular planar basic geometry with edge lengths in the range of 5 cm to 20 cm, typically in the range between 5 cm and 10 cm. For circular or oval basic geometries circular or oval diameters in the range of 2 to 15 cm are conceivable. The thickness of the substrates to be treated may typically vary between 0.2 mm to a few millimeters, say up to 3 mm. Typically, the substrate may have a thickness in the range of 0.5 mm to 1 mm.
So ist nach einem weiteren Aspekt ein Verfahren zur thermischen Behandlung zumindest eines Substrats vorgesehen. Das Verfahren stellt hierbei typischerweise die bestimmungsgemäße Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung zum thermischen Behandeln des Substrats dar. Verfahrensmäßig ist insoweit für die thermische Behandlung des zumindest einen Substrats vorgesehen, das Substrat an einer Substrataufnahme eines Substratträgers anzuordnen, schließlich eine auf die Substrataufnahme, mithin auf das Substrat gerichtete Laserstrahlung mittels einer Laserquelle zu erzeugen sowie, ausgehend von der erzeugten Laserstrahlung, typischerweise mittels einer Laser-Strahlformungseinheit eine transversale räumliche Intensitätsverteilung der Laserstrahlung im Bereich einer transversalen Ausdehnung der Substrataufnahme bzw. im Bereich der transversalen bzw. planaren Ausdehnung des Substrats zu erzeugen, welche allenfalls lokale Intensitätsmaximal oder lokale Intensitätsminima aufweist, in welchen die Intensität der Laserstrahlung um weniger als 20% von einer über die transversale Ausdehnung der Substrataufnahme bzw. über die transversale bzw. planare Ausdehnung des Substrats gemittelten Intensität abweicht.Thus, according to a further aspect, a method for the thermal treatment of at least one substrate is provided. The method is typically the intended use of the device described above for the thermal treatment of the substrate. In terms of the method, it is provided for the thermal treatment of the at least one substrate to arrange the substrate on a substrate holder of a substrate carrier, finally one on the substrate holder, thus on the Produce substrate-directed laser radiation by means of a laser source and, starting from the generated laser radiation, typically by means of a laser beam shaping unit to generate a transverse spatial intensity distribution of the laser radiation in the region of a transverse extent of the substrate recording or in the region of the transversal or planar extent of the substrate, which has at most local intensity maximum or local intensity minima, in which the intensity of the laser radiation is less than 20% of one over the transverse extent of the sub strataufnahme or over the transverse or planar extent of the substrate average intensity deviates.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist das beschriebene Verfahren insbesondere zum Aufheizen bzw. zum Tempern eines Saphirsubstrats vorgesehen. Das Saphirsubstrat wird hierbei mittels der Laserstrahlung auf eine Bearbeitungstemperatur von zumindest 1800°C aufgeheizt. Bei Erreichen einer derart hohen Bearbeitungstemperatur kann die Verweilzeit bis zur zufriedenstellenden oder vollständigen Beseitigung von Oberflächenstörstellen des Saphirsubstrats gegenüber herkömmlichen Behandlungsverfahren merklich verkürzt werden.According to a further embodiment, the method described is provided in particular for heating or for tempering a sapphire substrate. The sapphire substrate is heated by the laser radiation to a processing temperature of at least 1800 ° C. Upon reaching a such high processing temperature, the residence time to satisfactory or complete elimination of surface defects of the sapphire substrate over conventional treatment methods can be significantly reduced.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann die Bearbeitungstemperatur auch noch weitaus höher liegen. So ist hierbei insbesondere vorgesehen, das Substrat mittels der Laserstrahlung auf eine Bearbeitungstemperatur von zumindest 1900°C, von zumindest 1950°C oder auf eine Bearbeitungstemperatur von zumindest oder von in etwa 2000°C aufzuheizen. Bei einer Bearbeitungstemperatur von in etwa 2000°C kann der Temper- bzw. Ausheilprozess der Oberflächendefekte des Saphirkristalls auf einige wenige Sekunden, auf etwa 2 Sekunden reduziert werden, sodass sich im Vergleich zum Stand der Technik, welcher Verweilzeiten von einigen Stunden vorsieht, eine immense Beschleunigung des Temperprozesses erreicht werden kann.According to a further embodiment, the processing temperature can also be much higher. In this case, provision is made in particular to heat the substrate by means of the laser radiation to a processing temperature of at least 1900 ° C., of at least 1950 ° C. or to a processing temperature of at least or approximately 2000 ° C. At a processing temperature of about 2000 ° C, the tempering or annealing process of the surface defects of the sapphire crystal can be reduced to a few seconds, to about 2 seconds, so that compared to the prior art, which provides residence times of a few hours, an immense Acceleration of the annealing process can be achieved.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird das Substrat innerhalb eines Zeitraums von weniger als 5 Minuten, weniger als 1 Minute, weniger als 30 Sekunden, weniger als 10 Sekunden oder innerhalb eines Zeitraums von weniger als 5 Sekunden, typischerweise sogar etwa innerhalb von 2 Sekunden auf die Bearbeitungstemperatur erhitzt. Aufgrund des flächenmäßig überaus homogenen Energieeintrags in das Substrat können derart kurze Aufheizzeiten erzielt werden. Sofern derart kurze, im Sekundenbereich liegende Aufheizzeiten dennoch einmal zu thermischen Spannungen innerhalb des zu behandelnden Substrats führen sollten, ist jederzeit denkbar, die Laserstrahlintensität sowie die Repetitionsrate als auch die Pulsdauer gepulster Laserstrahlung zu reduzieren. Hierdurch können sich geringfügig längere Aufheizzeiträume ergeben, die aber allenfalls im Bereich einiger weniger Minuten liegen sollten.In a further embodiment of the method, the substrate will be within a time period of less than 5 minutes, less than 1 minute, less than 30 seconds, less than 10 seconds, or within a time period of less than 5 seconds, typically even within about 2 seconds the processing temperature is heated. Due to the extremely homogeneous energy input into the substrate, such short heating times can be achieved. If such short heating times, which are within a few seconds, should nevertheless lead to thermal stresses within the substrate to be treated, it is always conceivable to reduce the laser beam intensity and the repetition rate as well as the pulse duration of pulsed laser radiation. This may result in slightly longer heating periods, but at best should be in the range of a few minutes.
Schließlich ist nach einer Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass die zeitlich gemittelte Leistungsdichte der Laserstrahlung am Substrat mit ansteigender Temperatur des Substrats gesteigert wird. Eine derartige Leistungssteigerung der Laserstrahlung ergibt sich insbesondere durch die Temperaturabhängigkeit der Emissivität des zu behandelnden Substrats, typischerweise des Saphirsubstrats. Erreicht Saphir zum Beispiel eine vorgegebene Temperatur im Bereich von etwa 1600°C bis 1800°C, so werden im Saphirkristall Ladungsträger erzeugt oder generiert, wodurch sich die optischen Eigenschaften des Saphirs bzw. des entsprechenden Saphirsubstrats merklich ändern.Finally, it is provided according to a development of the method that the time-averaged power density of the laser radiation is increased at the substrate with increasing temperature of the substrate. Such a performance increase of the laser radiation results in particular from the temperature dependence of the emissivity of the substrate to be treated, typically the sapphire substrate. For example, if sapphire reaches a predetermined temperature in the range of about 1600 ° C. to 1800 ° C., charge carriers are generated or generated in the sapphire crystal, whereby the optical properties of the sapphire or the corresponding sapphire substrate change markedly.
Sowohl die Absorption als auch die Emissivität des Saphirsubstrats steigen mit größer werdender Temperatur nahezu abrupt an. Die Emissivität bezeichnet gemeinhin die Wärmeabstrahlung der Oberfläche des zu behandelnden Substrats im Verhältnis zu einem entsprechenden schwarzen Körper bei gleicher Oberflächentemperatur. Die Emissivität ist somit das Maß für die Fähigkeit einer Oberfläche, absorbierte Wärme wieder als Strahlung abzugeben. Aufgrund des Anstiegs der Emissivität kann trotz steigender Laserstrahlintensität kaum noch eine merkliche Temperaturerhöhung im Saphirkristall erreicht werden.Both the absorption and the emissivity of the sapphire substrate increase almost abruptly as the temperature increases. The emissivity commonly refers to the heat radiation of the surface of the substrate to be treated in relation to a corresponding black body at the same surface temperature. Emissivity is thus the measure of a surface's ability to re-emit absorbed heat as radiation. Due to the increase in the emissivity hardly any appreciable temperature increase can be achieved in the sapphire crystal despite increasing laser beam intensity.
Der temperaturbedingte Anstieg der Emissivität führt somit zu einer Art thermischem Selbstbegrenzungseffekt. Das Erzeugen der Ladungsträger im Saphirkristall bewirkt somit einen Regelungsmechanismus, der verhindert, dass das Saphirsubstrat infolge einer zu hohen Energiedeposition seinen Schmelzpunkt erreicht. Je näher die Temperatur des Substrats dem Schmelzpunkt von Saphir kommt, desto höher ist die Emissivität und desto mehr eingekoppelte Wärmeenergie wird vom Saphirsubstrat wieder an die Umgebung abgegeben.The temperature-induced increase in emissivity thus leads to a kind of thermal self-limiting effect. The generation of the charge carriers in the sapphire crystal thus brings about a regulating mechanism which prevents the sapphire substrate from reaching its melting point as a result of an excessive energy deposition. The closer the temperature of the substrate to the melting point of sapphire, the higher the emissivity and the more coupled thermal energy is released back to the environment by the sapphire substrate.
Schließlich ist nach einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass zumindest eine der nachfolgend genannten Parameter, die Strahlintensität, die Leistungsdichte, die räumliche transversale Intensitätsverteilung, die Pulsdauer und/oder die Repetitionsrate der Laserstrahlung in Abhängigkeit der absoluten Temperatur des Substrats und/oder in Abhängigkeit einer transversalen räumlichen Temperaturverteilung des Substrats variiert, während des Aufheizens oder während einer Halteperiode bei vorgegebener Bearbeitungstemperatur etwa mittels der Steuereinrichtung aktiv geregelt oder nachjustiert wird.Finally, according to a further embodiment, it is provided that at least one of the following parameters, the beam intensity, the power density, the spatial transverse intensity distribution, the pulse duration and / or the repetition rate of the laser radiation as a function of the absolute temperature of the substrate and / or in response to a transversal spatial temperature distribution of the substrate varies, is actively regulated or readjusted during heating or during a holding period at a predetermined processing temperature, for example by means of the control device.
Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Hierbei zeigen:Other objects, features and advantageous aspects of the present invention will be described in the following description of an embodiment with reference to the drawings. Hereby show:
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Die in
Neben dem Substratträger ist zumindest eine Laserquelle
Die Laser-Strahlformungseinheit kann hierzu mehrere strahlablenkende optische Elemente, wie zum Beispiel Spiegel oder ganze Spiegelarrays, also refraktive bzw. diffraktive optische Elemente zur Strahlformung aufweisen. Die Laser-Strahlformungseinheit
Das in
Die Laser-Strahlformungseinheit
So zeigt die in
In der Praxis weist ein optisches Strahlprofil jedoch stets gewisse lokale Intensitätsmaxima
Indem beispielsweise für ein Saphirsubstrat
Bei zum Beispiel einer Laserleistung von 1 kW, bezogen auf die gesamte, etwa 20 cm2 betragende Fläche eines beispielhaften Substrats
Das Substrat kann alsdann für einige Sekunden auf jener Bearbeitungstemperatur verweilen, bis die zu beseitigenden Oberflächendefekte effektiv ausgeheilt sind. Eine typische Verweilzeit liegt hierbei etwa im Bereich zwischen 5 und 8 Sekunden. Hiernach kann die Intensität der Laserstrahlung
Die in
In
Steigt die Emissivität deutlich an, so wird ein entsprechend erhöhter Anteil der in das Saphirsubstrat eingekoppelten thermischen Energie wieder in Form von thermischer Strahlung abgegeben. Dies hat zur Folge, dass trotz ansteigender Strahlintensität oder ansteigender Leistungsdichte kaum eine merkliche Temperaturerhöhung im Saphirkristall erreicht werden kann.If the emissivity increases significantly, a correspondingly increased proportion of the thermal energy coupled into the sapphire substrate is released again in the form of thermal radiation. This has the consequence that, despite increasing beam intensity or increasing power density hardly a significant increase in temperature in the sapphire crystal can be achieved.
Dieses Verhalten spiegelt sich ferner auch im Diagramm der
Wie zum Diagramm der
Das Erzeugen von Ladungsträgern im Bereich oder nahe der Bearbeitungstemperatur führt somit zu einem Temperatur-Selbstbegrenzungseffekt, sodass trotz überaus hoher eingekoppelter Laserstrahlintensität der Schmelzpunkt des Substrats, vorliegend etwa eines Saphirsubstrats nicht erreicht wird.The generation of charge carriers in the region or close to the processing temperature thus leads to a temperature self-limiting effect, so that despite an extremely high coupled-in laser beam intensity of the melting point of the substrate, in the present case about a sapphire substrate is not achieved.
In
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Thermische BehandlungsvorrichtungThermal treatment device
- 1010
- Substratsubstratum
- 1111
- Oberflächesurface
- 1212
- Seitenrandmargin
- 13 13
- Unterseitebottom
- 2020
- Laserquellelaser source
- 2121
- Laserstrahllaser beam
- 2222
- Laser-StrahlformungseinheitLaser beam forming unit
- 2323
- Aufgeweiteter LaserstrahlWidened laser beam
- 2424
- Transversale IntensitätsverteilungTransverse intensity distribution
- 2525
- Gemittelte IntensitätAverage intensity
- 26a26a
- Lokales IntensitätsmaximumLocal intensity maximum
- 26b26b
- Lokales IntensitätsminimumLocal intensity minimum
- 3030
- Substratträgersubstrate carrier
- 3232
- Gehäusecasing
- 3333
- Innenoberflächeinner surface
- 3434
- Substrataufnahmesubstrate uptake
- 3636
- TemperaturmesseinrichtungTemperature measuring device
- 3838
- Steuereinrichtungcontrol device
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102021130349A1 (en) | 2021-03-12 | 2022-09-15 | Technische Universität Darmstadt, Körperschaft des öffentlichen Rechts | Process and device for the production of ceramics and ceramic product |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030042430A1 (en) * | 2001-08-31 | 2003-03-06 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser irradiation method, laser irradiation apparatus, and method of manufacturing a semiconductor device |
US20040213514A1 (en) * | 2003-04-24 | 2004-10-28 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Beam homogenizer, laser irradiation apparatus, and method for manufacturing semiconductor device |
DE102004010377A1 (en) | 2004-03-03 | 2005-09-22 | Schott Ag | Production of substrate wafers for low-defect semiconductor components, their use, and components obtained therewith |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5697998A (en) * | 1996-03-05 | 1997-12-16 | The Aerospace Corporation | Sapphire window laser edge annealing |
JP2000077333A (en) * | 1998-09-03 | 2000-03-14 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Manufacture of thin-film transistor and laser annealing apparatus |
US6366308B1 (en) * | 2000-02-16 | 2002-04-02 | Ultratech Stepper, Inc. | Laser thermal processing apparatus and method |
DE10222879A1 (en) * | 2001-05-23 | 2005-03-17 | Mattson Thermal Products Gmbh | Measurement of low wafer temperatures |
JP3973882B2 (en) * | 2001-11-26 | 2007-09-12 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Laser irradiation apparatus and laser irradiation method |
-
2013
- 2013-07-12 DE DE201310011637 patent/DE102013011637A1/en not_active Ceased
-
2014
- 2014-07-14 WO PCT/EP2014/001928 patent/WO2015003817A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030042430A1 (en) * | 2001-08-31 | 2003-03-06 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser irradiation method, laser irradiation apparatus, and method of manufacturing a semiconductor device |
US20040213514A1 (en) * | 2003-04-24 | 2004-10-28 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Beam homogenizer, laser irradiation apparatus, and method for manufacturing semiconductor device |
DE102004010377A1 (en) | 2004-03-03 | 2005-09-22 | Schott Ag | Production of substrate wafers for low-defect semiconductor components, their use, and components obtained therewith |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102021130349A1 (en) | 2021-03-12 | 2022-09-15 | Technische Universität Darmstadt, Körperschaft des öffentlichen Rechts | Process and device for the production of ceramics and ceramic product |
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Publication number | Publication date |
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