DE102019118676B4 - Optisches System zur Homogenisierung der Intensität von Lichtstrahlung und Anlage zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht - Google Patents

Optisches System zur Homogenisierung der Intensität von Lichtstrahlung und Anlage zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht Download PDF

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Abstract

Optisches System (30, 80) zur Homogenisierung der Intensität von Lichtstrahlung zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, umfassend:eine optische Strahltransformationsanordnung (32) miteiner ersten Anordnung (32a) mit ersten Strahltransformationselementen (40), die dazu eingerichtet ist, einen einfallenden Lichtstrahl (38), dessen Strahlprofil (50) eine kurze Achse in einer x-Richtung und eine lange Achse in einer y-Richtung aufweist, wobei die x-Richtung und die y-Richtung jeweils senkrecht zu einer Propagationsrichtung des Lichtstrahls sind, entlang der langen Achse geometrisch in Teillichtstrahlen (42) umzulenken und aufzuteilen, so dass eine Propagationsrichtung der Teillichtstrahlen (42) verschieden von der Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls (38) ist, undeiner zweiten Anordnung (32b) mit zweiten Strahltransformationselementen (44), die im Strahlengang der Teillichtstrahlen (42) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, die umgelenkten Teillichtstrahlen (42) nochmals umzulenken, wobei ein Strahlprofil (48) eines nochmals umgelenkten Teillichtstrahles (46) in x-Richtung, bezogen auf die Propagationsrichtung des nochmals umgelenkten Teillichtstrahls (46), einem Abschnitt des Strahlprofils (50) des einfallenden Lichtstrahls (38) in y-Richtung, bezogen auf die Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls (38), entspricht,dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (30, 80) ferner umfassteine im Strahlengang der nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen (46) angeordnete, der optischen Strahltransformationsanordnung (32) nachgeordnete Strahlformungseinrichtung (34), die dazu eingerichtet ist, die nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen (46) bezüglich der y-Richtung räumlich als eine in einer Beleuchtungsebene (65) gelegene Beleuchtungslinie (14) zu überlagern, undeine im Strahlengang der nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen (46) angeordnete, der optischen Strahltransformationsanordnung (32) nachgeordnete optische Abbildungseinrichtung (36), die so eingerichtet und angeordnet ist, dass die ersten Strahltransformationselemente (40) in einer in der Beleuchtungsebene (65) gelegenen Bildebene (61) optisch abgebildet werden.

Description

  • Die Offenbarung betrifft ein optisches System zur Homogenisierung der Intensität von Lichtstrahlung und eine Anlage zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht mit einem solchen optischen System. Solche optischen Systeme zur Erzeugung von Lichtstrahlung mit einem gleichmäßigen Intensitätsverlauf werden zur Bearbeitung eines Halbleitermaterials verwandt, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht.
  • Für die Kristallisation von Dünnfilmschichten beispielsweise für die Herstellung von Dünnfilmtransistoren (im Englischen: Thin Film Transistor, kurz: TFT) werden üblicherweise Laser eingesetzt. Als zu bearbeitender Halbleiter kommt insbesondere Silizium (kurz: Si), genauer amorphes Silizium (kurz: a-Si) zum Einsatz. Die Dicke der Halbleiterschicht beträgt beispielsweise 50 nm, welche sich typischerweise auf einem Substrat, beispielsweise einem Glassubstrat, oder auf einem sonstigen Träger befindet.
  • Die Schicht wird mit dem Licht des Lasers, beispielsweise eines gepulsten Festkörperlasers, beleuchtet. Dabei wird das Licht mit einer Wellenlänge von beispielsweise 343 nm zu einer Beleuchtungslinie geformt und auf einer Bildebene des Halbleitermaterials abgebildet. Die Beleuchtungslinie weist eine kurze (schmale) Achse und eine homogene lange Strahlachse auf. Die kurze oder schmale Achse weist eine gaußförmige oder eine flache Intensitätsverteilung auf.
  • Die Beleuchtungslinie wird mit einem Vorschub von typischerweise ca. 5 bis 50 mm/s in Richtung der kurzen Achse über die Halbleiterschicht bewegt. Die Leistungsdichte (im Fall von Dauerstrichlasern) oder die Pulsenergiedichte (im Fall von gepulsten Lasern) des Lichtstrahls wird derart eingestellt, dass beispielsweise im Fall von amorphem Silizium dieses teilweise aufschmilzt und das aufgeschmolzene Silizium sich anschließend in einer polykristallinen Struktur ausgehend von nicht aufgeschmolzenem festen Silizium auf dem Glassubstrat verfestigt. Das Aufschmelzen und Verfestigen läuft typischerweise auf einer Zeitskala von 10 bis 100 ns ab und die sich anschließende Abkühlung des Films auf Raumtemperatur dauert typischerweise mehrere 100 µs.
  • Bei der Bestrahlung und Umwandlung der Schicht aus amorphem Silizium in eine Schicht aus polykristallinem Silizium kommt es besonders auf eine gleichmäßige Intensität der Beleuchtungslinie an, das heißt auf die Homogenität der entlang der kurzen und/oder der langen Achse integrierten, räumlichen Intensitätsverteilung. Je homogener bzw. gleichmäßiger die Intensitätsverteilung der Beleuchtungslinie ist, desto homogener bzw. gleichmäßiger ist die Kristallstruktur der Dünnfilmschicht (beispielsweise die Korngröße der polykristallinen Schicht), und desto besser sind beispielsweise die elektrischen Eigenschaften des aus der Dünnfilmschicht gebildeten Endprodukts, beispielsweise des Dünnfilmtransistors. Eine homogene Kristallstruktur bewirkt beispielsweise eine hohe Leitfähigkeit aufgrund einer hohen Mobilität der Elektronen und positiven Ladungslöcher. Deswegen werden hohe Anforderungen an die Homogenität der Beleuchtungslinie gestellt.
  • Inhomogenitäten können insbesondere entlang der langen Strahlachse sowie senkrecht dazu entlang der kurzen Strahlachse auftreten, wenn die Beleuchtungslinie in Richtung der kurzen Achse über die Halbleiterschicht bewegt wird. Diese Inhomogenitäten werden „Mura“ genannt. Sogenannte „Scan-Mura“ haben ihren Ursprung in Inhomogenitäten entlang der Strahlachse und treten auf als in Scanrichtung oder in Vorschubrichtung verlaufende streifenförmige Inhomogenitäten. Senkrecht dazu treten sogenannte „Shot-Mura“ auf, die auf Schwankungen der Intensität Puls zu Puls während des Vorschubs zurückzuführen sind.
  • Um eine regelmäßige polykristalline Kornstruktur bei der Kristallisierung zu erzeugen, ist es bekannt, dass ein Oberflächeninterferenzeffekt ausgenutzt wird, der dazu führt, dass eine modulierte Intensitätsverteilung während der Belichtung entsteht und durch mehrmaliges Belichten während des Vorschubs eine Kornstruktur mit etwa der Größe der Wellenlänge des Lichts verstärkt wird. Dieser Effekt wird „Laser Induced Periodical Pattern Structure“ (kurz: „LIPPS“) genannt. Bei einer Wellenlänge von beispielsweise 343 nm ergeben sich so Kornstrukturen von etwa 0,3 µm bis 0,4 µm.
  • Untersuchungen haben ferner gezeigt, dass auch eine flache Intensitätsverteilung in Richtung der kurzen Achse der Beleuchtungslinie vorteilhaft für ein gleichmäßiges Kristallisationsergebnis ist.
  • Dabei ist der genaue Verlauf der flachen Intensitätsverteilung in Richtung der kurzen Achse entscheidend. Sind die Flanken des flachen Profils flach abfallend, steht im mittleren flachen Bereich weniger Energie zur Verfügung als wie wenn die Flanken des flachen Profils im Vergleich dazu steil abfallend sind. Damit ist es bei einem Intensitätsverlauf mit relativ flachen Flanken schwierig, eine ausreichende Intensität im mittleren flachen Bereich zu erzielen, um eine gleichmäßig kristallisierte Halbleitermaterialschicht hoher Qualität zu erzeugen. Darüber hinaus soll eine steile Flanke eine ausreichende Schärfentiefe ermöglichen, so dass über 100 µm bis über mehrere 100 µm die Flankensteilheit sich nur wenig ändert.
  • Es ist also wünschenswert, auch entlang der kurzen Achse der Beleuchtungslinie eine homogene Verteilung mit einer Breite von typischerweise 30 µm bis 100 µm zu haben, mit möglichst steilen Flanken, beispielweise eine Breite von 10 µm zwischen einer ersten Intensität, bei der die Intensität 10% einer maximalen Intensität entspricht, und einer zweiten Intensität, bei der die Intensität 90% der maximalen Intensität entspricht.
  • Aus der DE 103 31 442 A1 ist eine Anordnung zur Transformation eines optischen Strahlungsfelds in ein linienförmiges Strahlungsfeld bekannt, die eine Transformationsoptik umfasst, die dazu eingerichtet ist, das Strahlungsfeld in mehrere Teilstrahlungsfelder aufzuteilen und umzulenken. In einer Ausgestaltung umfasst die Transformationsoptik drei Dove-Prismen. Aus der DE 11 2011 100 813 T5 ist eine optische Anordnung mit verschiedenen Ausgestaltungen von optischen Dreheinrichtungen bekannt, die dazu geeignet sind, einen Eingabestrahl in eine neue Orientierung zu drehen. Aus der DE 10 2008 033 358 A1 ist eine Vorrichtung zur Umverteilung des Strahlparameter-Produktes eines Laserstrahls bekannt, die eine Anordnung zur Strahlseparation, eine optische Komponente zur Reduzierung der räumlichen Kohärenz der Teilstrahlen zueinander, beispielsweise in Ausgestaltung einer Stufenspiegel-Anordnung, eine homogenisierende optische Komponente sowie ein Objektiv umfasst, das die homogenisierte Strahlung zu einer Linie fokussiert. Aus der US 2017/0176758 A1 ist eine weitere optische Anordnung zur Erzielung einer schmalen Beleuchtungslinie bekannt. Die vorliegende Erfindung offenbart ein verbessertes optisches System zur Homogenisierung der Intensität von Lichtstrahlung entlang einer Richtung, insbesondere entlang der kurzen Achse der Beleuchtungslinie. Das verbesserte optische System ist insbesondere zur Bearbeitung eines Halbleitermaterials vorgesehen, insbesondere zur Herstellung gleichmäßig kristallisierter Halbleiterschichten.
  • Die vorliegende Offenbarung umfasst ein optisches System zur Homogenisierung der Intensität von Lichtstrahlung zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht. Das optische System weist eine optische Strahltransformationsanordnung mit einer ersten Anordnung mit ersten Strahltransformationselementen auf, die dazu eingerichtet ist, einen einfallenden Lichtstrahl, dessen Strahlprofil eine kurze Achse in einer x-Richtung und eine lange Achse in einer y-Richtung aufweist, wobei die x-Richtung und die y-Richtung jeweils senkrecht zu einer Propagationsrichtung des Lichtstrahls sind, entlang der langen Achse geometrisch in Teillichtstrahlen aufzuteilen, wobei eine Propagationsrichtung der Teillichtstrahlen verschieden von der Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls ist. Die optische Strahltransformationsanordnung weist ferner eine zweite Anordnung mit zweiten Strahltransformationselementen auf, die im Strahlengang der Teillichtstrahlen angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, die umgelenkten Teillichtstrahlen nochmals umzulenken, wobei ein Strahlprofil eines nochmals umgelenkten Teillichtstrahles in x-Richtung, bezogen auf die Propagationsrichtung des nochmals umgelenkten Teillichtstrahls, einem Strahlprofilabschnitt des einfallenden Lichtstrahls in y-Richtung, bezogen auf die Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls, entspricht. Das optische System umfasst auch eine im Strahlengang der Teillichtstrahlen angeordnete, der optischen Strahltransformationsanordnung nachgeordnete Strahlformungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Teillichtstrahlen bezüglich der y-Richtung räumlich als eine in einer Beleuchtungsebene gelegene Beleuchtungslinie zu überlagern, sowie eine im Strahlengang der Teillichtstrahlen angeordnete, der optischen Strahltransformationsanordnung nachgeordnete optische Abbildungseinrichtung, die so eingerichtet und angeordnet ist, dass die ersten Strahltransformationselemente bezüglich der x-Achse in einer in der Beleuchtungsebene gelegenen Bildebene optisch abgebildet werden.
  • Mittels der optischen Strahltransformationseinrichtung wird also der einfallende Lichtstrahl in Teillichtstrahlen aufgeteilt und umgelenkt. Der einfallende Lichtstrahl hat ein Strahlprofil, das senkrecht zur Propagationsrichtung eine kurze Achse und eine lange Achse aufweist. Dabei soll die Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls die Richtung einer z-Achse definieren, wobei die kurze Achse in der Richtung einer x-Achse ausgerichtet ist und die lange Achse in der Richtung einer y-Achse ausgerichtet ist. Die Teillichtstrahlen haben eine verschiedene Propagationsrichtung zu der des einfallenden Lichtstrahls, wobei die Richtung der z-Achse immer durch die Propagationsrichtung des jeweiligen Lichtstrahls bzw. Teillichtstrahls definiert sein soll. Die Richtung der z-Achse, also die z-Richtung, variiert also im Raum mit der Ausbreitung des Lichtstrahls bzw. der Teillichtstrahlen im optischen System. Die x-Richtung und y-Richtung eines Lichtstrahls bzw. Teillichtstrahls ist immer in Richtung der Propagationsrichtung des betroffenen Lichtstrahls bzw. Teillichtstrahls definiert, und zwar sind die x-Richtung und die y-Richtung immer gleich in Bezug zu der z-Richtung definiert.
  • Der Lichtstrahl kann die von einem Laser emittierte Laserstrahlung sein. Die Lichtstrahlung kann beispielsweise die von einem UV-Festkörperlaser emittierte Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 343 nm sein.
  • Das Strahlprofil des einfallenden Lichtstrahls mit einer langen Achse und einer dazu relativ kurzen Achse kann durch Aufweiten eines Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, mit rundem Strahlprofil in nur einer Richtung erzielt worden sein, beispielsweise anhand einer zylindrischen Optik wie ein Zylinderlinsenteleskop.
  • Durch die Umlenkung der Teillichtstrahlen im Raum, insbesondere durch Drehen der Teillichtstrahlen im Raum, wird auch das Strahlprofil im Raum umorientiert. So entspricht das Strahlprofil eines Teillichtstrahls entlang der kurzen Achse nach der Umorientierung, d.h. nach der Strahltransformationseinrichtung, einem Abschnitt des Strahlprofils des einfallenden Lichtstrahls entlang der langen Achse. Der Abschnitt des Strahlprofils bestimmt sich durch die Aufteilung des Lichtstrahls an den ersten Strahltransformationselementen. Dabei ergibt sich an den seitlichen Kanten der ersten Strahltransformationselemente ein steiler Abfall der Intensität. Nach der Umorientierung ist diese „scharfe“ Intensitätskante in Richtung der kurzen Achse eines Teillichtstrahls angeordnet, entlang der oberen und unteren Kanten eines zweiten Strahltransformationselements. Wie später beschrieben wird, kann bei einer Ausgestaltung diese „scharfe“ Intensitätskante durch Abbildung der seitlichen Kanten der beleuchteten ersten Strahltransformationselemente in die Bildebene übertragen werden. Insbesondere können die beleuchteten ersten Strahltransformationselemente als Objekte für eine zylindrische Abbildung der seitlichen Kanten der ersten Strahltransformationselemente dienen.
  • Die Teillichtstrahlen, die aus der optischen Strahltransformationseinrichtung austreten, durchlaufen dann die Strahlformungseinrichtung, mittels der die Teillichtstrahlen entlang der langen Achse räumlich überlagert werden. Die räumliche Überlagerung auf einem Beleuchtungsfeld in der Beleuchtungsebene kann so gewählt werden, dass die lange Achse einer Beleuchtungslinie geformt wird. Dadurch ergibt sich in bekannter Weise ein flacher homogener Intensitätsverlauf entlang der langen Achse. Die Strahlformungseinrichtung kann eine anamorphotische Optik bilden oder Teil einer anamorphotischen Optik sein. Sie kann beispielsweise einen Linsenarray-Homogenisierer aufweisen, die auf dem Prinzip basieren, dass der oder die einfallenden Lichtstrahlen bzw. Teillichtstrahlen in viele Teilstrahlen bzw. weitere Teilstrahlen zerlegt werden, die anschließend räumlich überlagert werden. Dadurch ergibt sich ein entlang der y-Achse weitestgehend homogener Intensitätsverlauf.
  • Durch die Überlagerung in y-Richtung ergibt sich auch eine Überlagerung in x-Richtung, also in Richtung der kurzen Achse. Insbesondere werden die Teillichtstrahlen so überlagert, dass die „scharfen“ Intensitätskanten der Teilstrahlen zusammenfallen. Dadurch ergibt sich auch in Richtung der kurzen Achse ein flacher, weitestgehend homogener Intensitätsverlauf mit steil abfallenden seitlichen Flanken.
  • Die optische Abbildungseinrichtung ist nun so ausgelegt und im Strahlengang des optischen Systems angeordnet, dass die ersten Strahltransformationselemente in einer in der Beleuchtungsebene gelegenen Bildebene optisch abgebildet werden. Speziell ist die optische Abbildungseinrichtung so ausgelegt und im Strahlengang des optischen Systems räumlich so angeordnet, insbesondere in Bezug auf die ersten Strahltransformationselemente und den gewünschten Ort der Beleuchtungsebene, dass die beleuchteten ersten Strahltransformationselemente als Objekte dienen, die in der in der Beleuchtungsebene gebildeten Bildebene optisch als Bilder abgebildet werden. Dabei soll die Beleuchtungsebene eine Ebene sein, in der die durch das optische System gebildete Beleuchtungslinie zur Beleuchtung und Bearbeitung der Halbleitermaterialschicht gelegen sein soll. Die Beleuchtungsebene ist idealerweise durch die Oberfläche des zu bearbeitenden Halbleitermaterials gebildet.
  • Die ersten Strahltransformationselemente können in z-Richtung voneinander beabstandet angeordnet sein. Dabei sind sie nur so wenig in z-Richtung voneinander beabstandet, dass die einzelnen, den ersten Strahltransformationselementen zugeordneten Bildlagen nur wenig voneinander beabstandet sind, beispielsweise weniger als 5 µm voneinander beabstandet sind. Insbesondere sind die Brennweite der optischen Abbildungseinrichtung, ihr Abstand zu der ersten Strahltransformationseinrichtung sowie ihr Abstand zu der zu bearbeitenden Halbleitermaterialschicht so gewählt, dass die beleuchteten reflektiven Elemente als Objekte durch die optische Abbildungseinrichtung in eine Bildebene bzw. mehrere Bildebenen auf der Halbleitermaterialschicht bzw. im oberflächennahen Bereich der Halbleitermaterialschicht übertragen und dort als Bilder abgebildet werden.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist die optische Abbildungseinrichtung so ausgebildet, dass sie die einfallenden Teillichtstrahlen nur in x-Richtung abbildet. Die optische Abbildungseinrichtung wirkt also nur in x-Richtung, und nicht in y-Richtung, wobei die x-Richtung wieder bezogen auf die Propagationsrichtung der nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen ist und eine Richtung der kurzen Achse der Teillichtstrahlen bzw. der zu einem Lichtstrahl überlagerten Teillichtstrahlen angibt. Bei einer Verkleinerung wird also nur das Licht in x-Richtung gebündelt, und nicht in y-Richtung. Die überlagerten Teillichtstrahlen können insbesondere auf einer Beleuchtungslinie abgebildet werden. Da die optische Abbildungseinrichtung in x-Richtung wirkt, werden die „scharfen“ oberen und unteren Intensitätskanten des Strahlprofils der Teillichtstrahlen nach einem zweiten Strahltransformationselement in die Bildebene übertragen und dort abgebildet, insbesondere verkleinert abgebildet, was zu einer schmalen Beleuchtungslinie mit hoher Intensität entlang der x-Achse führt.
  • Gemäß der Offenbarung kann die optische Abbildungseinrichtung insbesondere so eingerichtet und angeordnet sein, dass die erste Anordnung in einer zu der Bildebene konjugierten Objektebene der optischen Abbildungseinrichtung liegt. Die ersten Strahltransformationselemente werden also als Objekte in der Bildebene optisch als Bild abgebildet. Dabei kann, wenn die optische Abbildungseinrichtung eine Brennweite f hat, für eine Bildweite b die Gleichung b= f*a/(a-f) gelten, wobei die Bildweite b der Abstand zwischen der bildseitigen Hauptebene der optischen Abbildungseinrichtung und der Bildebene ist, und eine Objektweite a ein Abstand zwischen der ersten Anordnung und der objektseitigen Hauptebene der optischen Abbildungseinrichtung ist. Die ersten Strahltransformationselemente der ersten Anordnung können versetzt zueinander angeordnet sein, so dass diese in unterschiedlichen zu mehreren Bildebenen konjugierten Objektebenen der optischen Abbildungseinrichtung liegen können.
  • Gemäß einer Variante kann die optische Abbildungseinrichtung so eingerichtet und angeordnet sein, dass die ersten Strahltransformationselemente verkleinert optisch abgebildet werden. Dadurch kann die Intensität entlang der kurzen Achse erhöht werden, so dass eine schmale Beleuchtungslinie mit hoher Intensität abgebildet werden kann, bei gleichzeitiger ausreichender Größe und damit guter Handbarkeit der Strahltransformationselemente.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die optische Abbildungseinrichtung so eingerichtet und angeordnet sein, dass die ersten Strahltransformationselemente jeweils zwei seitliche Aufteilungskanten aufweisen, an denen der Lichtstrahl geometrisch in die Teillichtstrahlen aufgeteilt wird, wobei die jeweils zwei seitlichen Aufteilungskanten optisch in der Bildebene oder in jeweils einer Bildebene abgebildet werden. Durch die Umlenkung der Teillichtstrahlen im Raum, insbesondere durch Drehen der Teillichtstrahlen im Raum, wird auch das Strahlprofil im Raum umorientiert. So entspricht das Strahlprofil eines Teillichtstrahls entlang der kurzen Achse nach der Umorientierung, d.h. nach der zweiten Strahltransformationseinrichtung, einem Abschnitt des Strahlprofils des einfallenden Lichtstrahls entlang der langen Achse. Der Abschnitt des Strahlprofils bestimmt sich durch die Aufteilung des Lichtstrahls an den ersten Strahltransformationselementen. Dabei ergibt sich an den seitlichen Kanten der ersten Strahltransformationselemente ein steiler Abfall der Intensität. Nach der Umorientierung ist diese „scharfe“ Intensitätskante in Richtung der kurzen Achse eines Teillichtstrahls angeordnet, entlang der oberen und unteren Kanten eines zweiten Strahltransformationselements. Diese „scharfe“ Intensitätskante kann durch Abbildung der seitlichen Kanten der beleuchteten ersten Strahltransformationselemente in die Bildebene übertragen werden. Die beleuchteten ersten Strahltransformationselemente dienen also als Objekte für eine zylindrische Abbildung der seitlichen Kanten der ersten Strahltransformationselemente.
  • Die Beleuchtungsebene kann durch die Oberfläche der zu bearbeitenden Halbleitermaterialschicht gebildet sein und/oder in einem oberflächennahen Bereich der zu bearbeitenden Halbleitermaterialschicht liegen. Die ersten Strahltransformationselemente können versetzt zueinander angeordnet sein, so dass abhängig von diesem Abstand die ersten Strahltransformationselemente in verschiedene Bildebenen abgebildet werden können. Dabei ist die optische Abbildungseinrichtung so ausgebildet und so angeordnet, beispielweise mit einem relativ großen Abstand zu den ersten Strahltransformationselementen, dass der Abstand zwischen den verschiedenen Bildebenen klein ist, beispielsweise kleiner als 5 µm. Hinzu kommt, dass sich unterschiedliche Bildebenen durch verschiedene Abstände der Lichtstrahlen von der optischen Achse bei Durchtritt durch die Strahlformungseinrichtung ergeben können.
  • Die optische Abbildungseinrichtung kann eine im Strahlengang des optischen Systems, insbesondere zwischen der optischen Strahltransformationseinrichtung und der Strahlformungseinrichtung, angeordnete Zylinderlinsenteleskopanordnung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, den Strahlquerschnitt der Teillichtstrahlen in Richtung der x-Achse zu verändern. Mittels der Zylinderlinsenteleskopanordnung kann der Abbildungsmaßstab des optischen Systems verändert bzw. eingestellt werden.
  • In einer Ausgestaltung kann die Zylinderlinsenteleskopanordnung so eingerichtet sein, dass der Strahlquerschnitt der Teillichtstrahlen in der x-Richtung verkleinert wird, also der Strahlquerschnitt in der x-Richtung ist vor der Zylinderlinsenteleskopanordnung größer als der Strahlquerschnitt in der x-Richtung nach der Zylinderlinsenteleskopanordnung. Die Zylinderlinsenteleskopanordnung ist in dieser Ausgestaltung also so ausgebildet, dass sie verkleinernd wirkt.
  • Gemäß einer weiteren Variante kann die optische Abbildungseinrichtung eine im Strahlengang hinter der Strahlformungseinrichtung angeordnete Zylinderlinsenobjektivanordnung umfassen, die dazu eingerichtet ist, in der x-Richtung abzubilden. Insbesondere ist die Zylinderlinsenobjektivanordnung dazu vorgesehen, die erste Strahltransformationsanordnung als Objekt in der Bildebene abzubilden, insbesondere verkleinert abzubilden. Die Verkleinerung durch die zylindrische Objektivanordnung kann, im Fall der Ausgestaltung der Zylinderlinsenteleskopanordnung als verkleinernde Zylinderlinsenteleskopanordnung, durch das verkleinernde Zylinderlinsenteleskop noch um einen der Verkleinerung des Zylinderlinsenteleskops entsprechenden Faktor vergrößert werden.
  • Die Zylinderlinsenobjektivanordnung mit der Zylinderlinsenteleskopanordnung kann insbesondere eine Brennweite f haben, und eine Bildweite b der Abbildung durch die Zylinderlinsenobjektivanordnung mit der Zylinderlinsenteleskopanordnung kann der Gleichung b = f * a / ( a − f )
    Figure DE102019118676B4_0001
    genügen, wobei die Bildweite b der Abstand zwischen der bildseitigen Hauptebene der Zylinderlinsenobjektivanordnung mit der Zylinderlinsenteleskopanordnung und der Bildebene ist, und eine Objektweite a ein Abstand zwischen der ersten Anordnung und der objektseitigen Hauptebene der Zylinderlinsenobjektivanordnung mit der Zylinderlinsenteleskopanordnung ist. Obige Beziehung ist aus der Abbildungsgleichung hergeleitet. Die Brennweite f ist also die Gesamtbrennweite der optischen Abbildungseinrichtung bestehend aus der Zylinderlinsenobjektivanordnung mit der Zylinderlinsenteleskopanordnung, und die Hauptebenen sind die Hauptebenen des gesamten optischen Abbildungssystems, der optischen Abbildungseinrichtung bestehend aus der Zylinderlinsenobjektivanordnung mit der Zylinderlinsenteleskopanordnung.
  • Wird die Zylinderlinsenteleskopanordnung als kollimierte Zylinderlinsenteleskopanordnung verwendet, das heißt, wenn die Zylinderlinsenteleskopanordnung auf unendlich-unendlich eingestellt ist und der Strahlengang der einfallenden Teillichtstrahlen also parallel und der austretenden Teillichtstrahlen leicht divergent ist, entspricht die Brennweite der obigen Gleichung der Brennweite der Zylinderlinsenobjektivanordnung, die Bildweite b ist der Abstand zwischen der bildseitigen Hauptebene der Zylinderlinsenobjektivanordnung und der Bildebene, und die Objektweite a ist ein Abstand zwischen der ersten Anordnung und der objektseitigen Hauptebene der Zylinderlinsenobjektivanordnung.
  • Gemäß einer noch weiteren Variante können die zweiten Strahltransformationselemente jeweils verstellbar bezüglich einer Raumposition und einem Neigungswinkel relativ zu der Propagationsrichtung des einfallenden Teillichtstrahles sein. Durch diese Möglichkeiten der Feinjustierung kann erreicht werden, dass der Intensitätsverlauf der Teilstrahlen so in der x-Richtung überlagert wird, dass die scharfen Kanten des Intensitätsverlaufs des Strahlprofils der Teilstrahlen zusammenfallen und sich ein flacher kombinierter Intensitätsverlauf ergibt.
  • In einer möglichen Anordnung können die ersten Strahltransformationselemente so ausgebildet und angeordnet sein, dass die Propagationsrichtung der Teillichtstrahlen um 90° umgelenkt bezüglich der Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls ist, und/oder dass die zweiten Strahltransformationselemente so ausgebildet und angeordnet sind, dass eine Propagationsrichtung der nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen um 90° umgelenkt bezüglich der Propagationsrichtung der Teillichtstrahlen ist. In einer solchen Anordnung kann beispielweise die Propagationsrichtung der nochmals umgelenkten Teilstrahlen der y-Richtung des einfallenden Lichtstrahls entsprechen, also der Richtung der langen Achse des einfallenden Lichtstrahls.
  • Bei einer Ausgestaltung umfassen die erste und/oder zweite Anordnung jeweils zwei oder mehr reflektive Elemente. Bei dieser Ausgestaltung bilden oder umfassen die Strahltransformationselemente die reflektiven Elemente. Die Änderung der Propagationsrichtung ist dann durch Reflektion des Lichtes an den reflektiven Elementen bedingt. In einer alternativen Ausgestaltung können die Strahltransformationselemente refraktive Elemente bilden oder umfassen, wobei die Propagationsrichtung sich durch Brechung des Lichts an den Grenzflächen der refraktiven Elemente ändert.
  • Die erste Anordnung kann eine erste Treppenspiegelanordnung mit ersten reflektiven Elementen umfassen, die versetzt zueinander angeordnet sind, und die zweite Anordnung kann eine zweite Treppenspiegelanordnung mit zweiten reflektiven Elementen umfassen, die jeweils versetzt zueinander angeordnet sind.
  • In manchen optischen Anordnungen, wie beispielsweise Anordnungen zum Annealen dünner Halbleiterschichten, beispielweise dünner a-Si Schichten, werden mehrere Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen, benötigt, um ausreichend Pulsenergie in einer langen Linie zur Verfügung zu stellen. Das optische System kann insbesondere mindestens eine Lichtquelle zur Bereitstellung einer Vielzahl an Lichtstrahlen aufweisen, eine Vielzahl an optischen Strahltransformationsanordnungen mit jeweils einer ersten Anordnung mit mehreren ersten Strahltransformationselementen, wobei die ersten optischen Anordnungen jeweils dazu eingerichtet sind, einen einfallenden Lichtstrahl von der Vielzahl an einfallenden Lichtstrahlen, deren Strahlprofil jeweils eine kurze Achse in einer x-Richtung und eine lange Achse in einer y-Richtung aufweist, wobei die x-Richtung und die y-Richtung jeweils senkrecht zu einer Propagationsrichtung des jeweiligen Lichtstrahls sind, entlang der langen Achse geometrisch in Teillichtstrahlen aufzuteilen, wobei eine Propagationsrichtung der Teillichtstrahlen verschieden von der Propagationsrichtung des jeweiligen einfallenden Lichtstrahls ist. Die Vielzahl an optischen Strahltransformationsanordnungen weisen ferner jeweils eine zweite Anordnung mit zweiten Strahltransformationselementen auf, wobei die zweiten Anordnungen jeweils im Strahlengang einer der aus einem einfallenden Lichtstrahl abgeteilten Teillichtstrahlen angeordnet sind und jeweils dazu eingerichtet sind, die umgelenkten Teillichtstrahlen nochmals umzulenken, wobei ein Strahlprofil eines nochmals umgelenkten Teillichtstrahles in x-Richtung, bezogen auf die Propagationsrichtung des nochmals umgelenkten Teillichtstrahls, einem Strahlprofilabschnitt des jeweiligen einfallenden Lichtstrahls in y-Richtung, bezogen auf die Propagationsrichtung des jeweiligen einfallenden Lichtstrahls, entspricht. Das optische System kann ferner eine im Strahlengang der aus der Vielzahl an einfallenden Lichtstrahlen abgeteilten Teillichtstrahlen angeordnete, der Vielzahl an optischen Strahltransformationsanordnungen nachgeordnete Strahlformungseinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die aus der Vielzahl an einfallenden Lichtstrahlen abgeteilten Teillichtstrahlen bezüglich der y-Richtung räumlich als eine in einer Beleuchtungsebene gelegene Beleuchtungslinie zu überlagern, und eine im Strahlengang der aus der Vielzahl an einfallenden Lichtstrahlen abgeteilten Teillichtstrahlen angeordnete, der Vielzahl an optischen Strahltransformationsanordnungen nachgeordnete optische Abbildungseinrichtung, die so eingerichtet und angeordnet ist, dass die ersten Strahltransformationselemente der Vielzahl an ersten Anordnungen in einer in der Beleuchtungsebene gelegenen Bildebene optisch abgebildet werden. Bei dieser Anordnung wird also für jeden Lichtstrahl eine optische Strahltransformationsanordnung bereitgestellt. Für jede dieser optischen Strahltransformationsanordnungen kann das gleiche gelten, wie oben bezüglich der Anordnung mit nur einer optischen Strahltransformationsanordnung erläutert wurde. Bei diesem System ist dann wie bei dem davor diskutierten System nur eine Strahlformungseinrichtung und nur eine optische Abbildungseinrichtung vorgesehen, wie bei dem oben diskutierten System, für die dann auch das Gleiche gelten kann.
  • Die Offenbarung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. In diesen zeigen:
    • - 1 eine schematische Ansicht einer Halbleitermaterialschicht, die mit einer bezüglich der Halbleitermaterialschicht in Vorschubrichtung bewegten Beleuchtungslinie belichtet wird zur Bearbeitung der Halbleitermaterialschicht;
    • - 2a bis 2c die Liniengeometrie der abgebildeten Beleuchtungslinie;
    • - 3a und 3b eine schematische Ansicht eines optischen Systems für eine Homogenisierung der Intensität von Lichtstrahlung, mittels dem eine Beleuchtungslinie mit homogener Intensität sowohl in der kurzen Achse als auch in der langen Achse geformt und auf einem Halbleitermaterial abgebildet werden kann;
    • - 4 in schematischer Ansicht eine Ausführungsform der optischen Strahltransformationseinrichtung als Anordnung zweier Treppenspiegelanordnungen;
    • - 5a in schematischer Ansicht das Gaußsche Intensitätsprofil des einfallenden Lichtstrahls in Richtung der langen Achse des einfallenden Lichtstrahls, das an den ersten Strahltransformationselementen in einzelne Intensitätsabschnitte aufgeteilt wird;
    • - 5b-1 bis 5b-4 die den einzelnen, den ersten Strahltransformationselementen zugeordneten Intensitätsabschnitte nach Durchlaufen der optischen Abbildungseinrichtung, aber ohne Überlagerung durch die Strahlformungseinrichtung;
    • - 5c den kombinierten Intensitätsverlauf, der sich durch Überlagerung der Intensitätsprofilabschnitte ergibt; und
    • - 6 in schematischer Ansicht eine Ausführungsform eines optischen Systems, bei dem ein Bildlagenausgleich durch Verstellen der Zylinderlinsenteleskopanordnung und/oder durch Vorsehen einer oder mehrerer Strahlumwege erreicht werden kann.
  • In der 1 ist schematisch gezeigt, wie ein Halbleitermaterial mit einem Laserstrahl zur Erzeugung homogen kristallisierter Schichten bestrahlt wird. Ein Träger 10, beispielsweise ein Glassubstrat, ist mit einer Schicht 12 aus dem zu bearbeitenden Halbleitermaterial beschichtet. In dem hier vorliegenden Beispiel ist das zu bearbeitende Halbleitermaterial amorphes Silizium. Die Dicke der Halbleitermaterialschicht 12 beträgt typischerweise in etwa 50 nm.
  • Ein Laserstrahl 14 in Linienform wird auf das Halbleitermaterial abgebildet und relativ zu diesem in einer Vorschubrichtung X bewegt, so dass die Laserlinie 14 mindestens einen Teilbereich der Halbleitermaterialschicht 12 überstreicht und dabei beleuchtet. Im hier gezeigten Beispiel wird der Träger 10 mit der Halbleitermaterialschicht 12 im Raum und damit relativ zu dem Laserstrahl 14, der ortsfest ist, verschoben. Die Laserlinie 14 kann relativ zu der Halbleitermaterialschicht 12 so bewegt werden, dass die gesamte Halbleitermaterialschicht 12 von der Laserlinie 14 bestrahlt wird. Typischerweise wird die Laserlinie 14 so relativ zu der Halbleitermaterialschicht 12 bewegt, dass ein bestimmter Bereich mehrmals von einer Laserlinie 14 bestrahlt wird.
  • Typische Vorschubgeschwindigkeiten liegen im Bereich zwischen 5 mm/s und 50 mm/s.
  • Die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 14 ist im hier gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Oberfläche der Halbleitermaterialschicht 12, d.h. der Laserstrahl 14 trifft hier senkrecht auf die Oberfläche der Halbleitermaterialschicht 12 auf, mit einem Einfallwinkel von 0°.
  • Mögliche Liniengeometrien des Laserstrahls 14 sind in den 2a bis 2c dargestellt. In den 2a bis 2c ist jeweils die Intensität in Abhängigkeit von einer bestimmten Richtung dargestellt.
  • Dabei zeigt die 2a die Intensität der Laserlinie in Richtung der langen Achse, und zwar eine entlang der kurzen Achse (entlang der x-Achse) integrierte Intensitätsverteilung 16, wobei die so integrierte Intensitätsverteilung 16 entlang der langen Achse (entlang der y-Achse) dargestellt ist. Per Konvention sollen in den Figuren die kurze Achse parallel zur x-Achse und die lange Achse parallel zur y-Achse verlaufen. Wie in dieser Figur zu sehen ist, ist die Verteilung 16 annähernd rechteckförmig, also entlang der langen Achse idealerweise homogen ausgebildet. Die Länge der Beleuchtungslinie in y-Richtung kann typischerweise zwischen 100 mm und 1000 mm sein, beispielsweise 100 mm, 250 mm, 750 mm oder 1000 mm, oder mehr als 1000 mm.
  • In den 2b und 2c ist jeweils die Intensität der Laserlinie in Richtung der kurzen Achse gezeigt, und zwar eine entlang der langen Achse (also entlang der y-Achse) integrierte Intensitätsverteilung 18, 20, wobei die so integrierte Intensitätsverteilung entlang der kurzen Achse (also entlang der x-Achse) dargestellt ist. Die Intensität in der 2b weist einen gaußförmigen Verlauf 18 auf. Alternativ dazu kann die Intensität, wie in 2c dargestellt, einen flachen Verlauf 20 („flat-top“), also einen annähernd rechteckförmigen Verlauf haben.
  • Typische Breiten für die Intensität in x-Richtung betragen zwischen 30 µm und 100 µm. Bei dem gaußförmigen Verlauf 18 der 2b wird die Breite dabei als eine Halbwertsbreite (englisch: Full Width at Half Maximum, FWHM) angegeben, bei dem abgeflachten Verlauf 20 der 2c als die Breite, die die Kurve bei einer Intensität hat, die 90% der Maximalintensität entspricht (FW 90%, englisch: Full Width at 90 %).
  • Der flache Verlauf 20 bewirkt eine gleichmäßige Kristallisation der zu bearbeitenden Halbleitermaterialschicht 12. Dabei ist neben dem homogenen Intensitätsverlauf im flachen, mittleren Verlauf wichtig, dass die seitlichen Flanken möglichst steil verlaufen. 2c zeigt einen relativ steilen Verlauf der Flanken. Die gezeigten Flanken haben jeweils eine Breite von in etwa 10 µm zwischen einer ersten Intensität I1, bei der die Intensität 10% einer maximalen Intensität entspricht, und einer zweiten Intensität I2, bei der die Intensität 90% der maximalen Intensität entspricht.
  • Wird die Beleuchtungslinie 14 über die zu bearbeitende Halbleitermaterialschicht 12 wie a-Si geführt, bewirkt dies, dass die Halbleitermaterialschicht 12 kurzzeitig aufschmilzt und sich als kristalline Schicht mit verbesserten elektrischen Eigenschaften verfestigt.
  • In den 3a und 3b ist schematisch ein optisches System 30 für eine Anlage zur Bearbeitung von Halbleitermaterialschichten dargestellt, mittels dem eine Beleuchtungslinie 14 mit einem flachen Profil sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung, also entlang der kurzen Achse und der langen Achse der Beleuchtungslinie 14, geformt und auf einem Halbleitermaterial 12 abgebildet werden kann.
  • Das optische System 30 umfasst eine optische Strahltransformationseinrichtung 32, die dazu eingerichtet ist, den einfallenden Lichtstrahl in Teillichtstrahlen aufzuteilen und so umzulenken, dass das Strahlprofil der Teillichtstrahlen eine andere Orientierung bezüglich der Propagationsrichtung der Teillichtstrahlen hat als die Orientierung des Strahlprofils des einfallenden Lichtstrahls bezüglich der Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls, eine im Strahlengang des Lichtstrahls der Strahltransformationseinrichtung nachgeordnete Strahlformungseinrichtung 34, die dazu eingerichtet ist, den Lichtstrahl derart zu formen, dass ein Strahlprofil des Lichtstrahls eine lange Achse und eine kurze Achse aufweist, mit einem flachen, homogenen Intensitätsprofil sowohl in der langen Achse als auch in der kurze Achse, sowie eine im Strahlengang des Lichtstrahls der Strahltransformationseinrichtung 32 nachgeordnete Abbildungseinrichtung 36, die dazu eingerichtet ist, das Licht als eine Beleuchtungslinie 14 abzubilden.
  • Die Lichtstrahlung kann beispielsweise die von einem UV-Festkörperlaser emittierte Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 343 nm sein. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, dass andere Lichtquellen, insbesondere andere Laserlichtquellen wie andere Festkörperlaserquellen verwendet werden, beispielsweise Festkörperlaser, die im grünen Spektralbereich emittieren.
  • Dabei ist in den 3a und 3b, wie schon in den 1 und 2, die kurze Achse parallel zur x-Achse dargestellt und die lange Achse parallel zur y-Achse dargestellt. Die z-Richtung bzw. die z-Achse soll die Propagationsrichtung des Lichtstrahls bzw. von Teillichtstrahlen angeben, wie später erläutert wird. Die x-Achse und die y-Achse sind jeweils senkrecht zur z-Achse angeordnet. Da der Lichtstrahl umgelenkt wird und sich dadurch die Propagationsrichtung im Raum verändert, wie später ebenfalls genauer erläutert wird, verändert sich die Orientierung der x-Richtung, der y-Richtung und der z-Richtung im Raum mit der Ausbreitung des Lichtstrahls im optischen System.
  • Die 3a zeigt die Abbildungscharakteristik des optischen Systems 30 in der x-Richtung, also entlang der kurzen Achse des umgeformten Laserstrahls und der Beleuchtungslinie, und die 3b zeigt die Abbildungscharakteristik des optischen Systems 30 in der y-Richtung, also entlang der langen Achse des umgeformten Lichtstrahls und der Beleuchtungslinie.
  • Die optische Strahltransformationseinrichtung 32 ist im hier gezeigten Beispiel eine Treppenspiegelanordnung. Insbesondere umfasst die optische Strahltransformationseinrichtung 32 eine erste Anordnung 32a und eine zweite Anordnung 32b, im hier gezeigten Beispiel eine erste Treppenspiegelanordnung 32a und eine zweite Treppenspiegelanordnung 32b.
  • Die ersten und zweiten Treppenspiegelanordnungen 32a, 32b sollen nun näher anhand von 4 erläutert werden. Ein Lichtstrahl 38, hier ein Laserstrahl, mit einem ovalen Strahlprofil fällt auf eine erste Treppenspiegelanordnung 32a. Im hier gezeigten Beispiel ist der Lichtstrahl ein von einem Laser emittierter Strahl mit einem runden Strahlprofil, der mittels einer im Strahlengang vor der optischen Strahltransformationseinrichtung 32 angeordneten zylindrischen Optik in Richtung der y-Achse aufgeweitet ist, während das Strahlprofil in x-Richtung unverändert ist, so dass der nun aufgeweitete Lichtstrahl 38 ein ovales Strahlprofil mit einer kurzen Achse in Richtung der x-Achse und einer langen Achse in Richtung der y-Achse hat. Die zylindrische Optik kann beispielsweise ein Zylinderlinsenteleskop sein.
  • Die erste Treppenspiegelanordnung 32a weist vier Treppenspiegelelemente 40 als erste Strahltransformationselemente auf. Die vier Treppenspiegelelemente 40 bilden dabei erste reflektive Elemente. Die vier Treppenspiegelelemente 40 sind entlang der x-Richtung angeordnet, so dass die reflektiven Flächen eine Erstreckung in der x-Richtung haben, und sie sind in der Propagationsrichtung des Lichtstrahls 38 versetzt zueinander angeordnet, also mit einem Abstand voneinander angeordnet. Ein typischer Abstand in z-Richtung zwischen zwei benachbarten Treppenspiegelelementen 40 beträgt 50 mm oder weniger. Ferner ist jedes der Treppenspiegelelemente 40 schräg zu der Propagationsrichtung, also zu der z-Richtung, ausgerichtet, insbesondere ist jedes der Treppenspiegelelemente mit einem Verkippungswinkel von 45° bezüglich der Propagationsrichtung angeordnet. Dadurch wird der Teil des einfallenden Lichtstrahls 38, der auf den bezüglich 4 linken Treppenspiegel 40 trifft, um 90° umgelenkt und so vom restlichen Lichtstrahl abgeteilt. Der restliche Lichtstrahl propagiert weiter in z-Richtung, bis er auf das nächste Treppenspiegelelement 40 trifft, in 4 das zweite Treppenspiegelelement 40 von links. Der Teil des restlichen Lichtstrahls, der auf dieses Treppenspiegelelement 40 trifft, wird wieder um 90° umgelenkt und damit vom restlichen Lichtstrahl abgeteilt. Auf diese Weise wird der einfallende Lichtstrahl 38 in vier Teillichtstrahlen 42 aufgeteilt, deren Propagationsrichtung jeweils um 90° verschieden ist von der Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls 38. In der 4 breitet sich der einfallende Lichtstrahl in der Horizontalen aus und wird durch die erste Treppenspiegelanordnung um 90° umgelenkt, bezüglich 4 nach oben umgelenkt. Dabei beträgt im hier gezeigten Beispiel die Breite der ersten Treppenspiegelanordnung 32a in der y-Richtung im Wesentlichen der Breite des Strahlprofils des einfallenden Lichtstrahls 38 in y-Richtung, also in Richtung der langen Achse. Im allgemeinen beträgt die Breite der ersten Treppenspiegelanordnung in der y-Richtung mindestens der Breite des Strahlprofils des einfallenden Lichtstrahls in y-Richtung, also in Richtung der langen Achse. Die erste Treppenspiegelanordnung 32a fungiert also unter anderem als Strahlteiler.
  • Die zweite Treppenspiegelanordnung 32b weist ebenfalls vier Treppenspiegelelemente 44 als zweite Strahltransformationselemente auf. Die vier zweiten Treppenspiegelelemente 44 bilden dabei zweite reflektive Elemente, wobei jedes der vier zweiten Treppenspiegelelemente 44 einem der Treppenspiegelelemente 40 der ersten Treppenspiegelanordnung 32a zugeordnet ist. Die vier zweiten Treppenspiegelelemente 44 sind entlang der z-Richtung (bezogen auf die Koordinaten des einfallenden Lichtstrahls 38) angeordnet, so dass die reflektiven Flächen eine Erstreckung in der z-Richtung haben, und sie sind in der y-Richtung (bezogen auf die Koordinaten des einfallenden Lichtstrahls 38) versetzt zueinander angeordnet, also mit einem Abstand voneinander angeordnet. Die zweiten Treppenspiegelelemente 44 sind um 90° gedreht bezüglich den ersten Treppenspiegelelementen 40 angeordnet. Die vier zweiten Treppenspiegelelemente 44 sind bezüglich der vier ersten Treppenspiegelelemente 40 in x-Richtung jeweils um den gleichen Abstand verschoben, also bezüglich 4 nach oben verschoben, angeordnet. Jeder der vier bezüglich 4 nach oben propagierenden Teillichtstrahlen 42 trifft so auf einen der vier zweiten Treppenspiegelelemente 44, die schräg gegenüber der Propagationsrichtung der auf sie treffenden, umgelenkten Teillichtstrahle 42 angeordnet sind. Dabei werden sie jeweils reflektiert und umgelenkt. Insbesondere ist jedes der zweiten Treppenspiegelelemente 44 mit einem Verkippungswinkel von 45° bezüglich der Propagationsrichtung der Teillichtstrahlen 42 angeordnet. Dadurch wird jeder einfallende Teillichtstrahl 42 nochmals um 90° umgelenkt, so dass die nun umgelenkten Teilstrahlen nun in y-Richtung, bezogen auf die Koordinaten des einfallenden Lichtstrahls 38, propagieren.
  • Im hier gezeigten Beispiel sind jeweils vier Treppenspiegelelemente 40, 44 gezeigt. Gemäß der Offenbarung sind zwei oder mehr Treppenspiegelelemente (Strahltransformationselemente) je Treppenspiegeleinrichtung 32a, 32b vorgesehen, also beispielsweise auch 3, 5, 6 oder 7. Dabei haben die erste und die zweite Anordnung 32a, 32bder optischen Strahltransformationsanordnung (32) in der Regel die gleiche Anzahl an Strahltransformationselementen. Ferner haben die Strahltransformationselemente der ersten und zweiten Anordnungen 32a, 32b in der Regel die gleichen Abmessungen.
  • Wie der 4 ferner zu entnehmen ist, wird der Laufwegunterschied zwischen den Teillichtstrahlen 42 nach der Reflektion an den ersten Treppenspiegelelementen 40, bedingt durch den Versatz der einzelnen Elemente 40 in z-Richtung, im Wesentlichen durch den Versatz der zweiten Treppenspiegelelemente 44 in y-Richtung (bezogen auf die Koordinaten des einfallenden Lichtstrahls 38) und den dadurch bedingten Laufwegunterschied ausgeglichen.
  • 4 zeigt ferner schematisch die Strahlprofile 48 der Teillichtstrahlen 46 nach der zweiten Reflektion an den zweiten Treppenspiegelelementen 44 im Vergleich zu dem Strahlprofil 50 des einfallenden Lichtstrahls 38. Insbesondere ist das Strahlprofil 50 des einfallenden Lichtstrahls 38 in Abschnitte aufgeteilt gezeigt entsprechend der Aufteilung des eintreffenden Lichtstrahls 38 an den ersten Treppenspiegelelementen 40.
  • Wie der 4 zu entnehmen ist, werden durch die Aufteilung des Lichtstrahls 38 in 90° umgelenkte Teillichtstrahlen 42 und die darauffolgende nochmalige Umlenkung der Teillichtstrahlen 42 um 90° das Strahlprofil 48 eines Teillichtstrahls 46 relativ zu der Propagationsrichtung des Teillichtstrahls 46 umorientiert. So ist die ursprünglich lange Achse des Strahlprofils 50 des einfallenden Lichtstrahls 38 nun in Richtung der kurzen Achse des aus den Teillichtstrahlen 46 gebildeten Lichtstrahls angeordnet, und die ursprünglich kurze Achse des Strahlprofils 50 des einfallenden Lichtstrahls 38 ist in Richtung der langen Achse des aus den Teillichtstrahlen 46 gebildeten Lichtstrahls angeordnet. Bezogen auf die 4 sind nun die seitlichen scharfen Kanten 52 der den einzelnen Treppenspiegelelementen 40 zugeordneten Strahlprofilabschnitte 50 jeweils in der vertikalen Richtung der gedrehten Strahlprofilabschnitte 48 angeordnet, also entlang der x-Achse, d. h. der kurzen Achse der Teillichtstrahlen 46. Die spätere Überlagerung der Teillichtstrahlen 46 so, dass die scharfen Kanten 52 zusammenfallen, und die Abbildung der scharfen Kanten 52 durch die Abbildungseinrichtung 36 auf die Bildebene 61 hat eine Beleuchtungslinie 14 mit einem flachen und homogenen Intensitätsprofil mit steilen Flanken entlang der kurzen Achse zur Folge, wie im weiteren genauer beschrieben werden soll.
  • Die oben beschriebene optische Strahltransformationseinrichtung 32 erzeugt also einen aus mehreren Teillichtstrahlen 46 gebildeten Lichtstrahl mit im Vergleich zum Eingangslichtstrahl 38 verändertem Strahlprofil 48.
  • Diese Teillichtstrahlen 46 propagieren nun im optischen System von 3a und 3b. Im folgenden wird auf einen propagierenden Lichtstrahl Bezug genommen. Gemeint sind damit die aus der optischen Strahltransformationsanordnung 32 austretenden Teillichtstrahlen 46, die einen Lichtstrahl bilden. Die Teillichtstrahlen 46 können in Richtung der langen Achse beabstandet aus der optischen Strahltransformationseinrichtung 32 austreten, sie können aber auch in Richtung der langen Achse bündig oder mit nur sehr kleinem Abstand voneinander aus der optischen Strahltransformationseinrichtung 32 austreten. Der Abstand ist abhängig von der Größe des Abstands der ersten Treppenspiegelelemente 40 in z-Richtung.
  • Der Lichtstrahl bestehend aus den Teillichtstrahlen 46, der aus der optischen Strahltransformationseinrichtung 32 austritt, trifft im Strahlengang des optischen Systems 30 auf eine Zylinderlinsenteleskopanordnung 54. Die Zylinderlinsenteleskopanordnung 54 ist Teil der Abbildungseinrichtung 36. In Richtung der langen Achse des Strahlprofils hat die Zylinderlinsenteleskopanordnung 54 keine Wirkung auf den Lichtstrahl, wie 3b zu entnehmen ist. In Richtung der kurzen Achse wirkt die Zylinderlinsenteleskopanordnung 54 so, dass der Durchmesser des eintreffenden Lichtstrahls verändert wird, wie 3a zu entnehmen ist. Im hier gezeigten Beispiel ist die Zylinderlinsenteleskopanordnung 54 eine verkleinernde Zylinderlinsenteleskopanordnung 54. Da sich die Verkleinerung (V) über das Verhältnis des Strahldurchmessers in Richtung der kurzen Achse am Eingang der Zylinderlinsenteleskopanordnung 54 (Din) zu dem Strahldurchmesser in Richtung der kurzen Achse am Ausgang der Zylinderlinsenteleskopanordnung 54 (Dout) bestimmt, i.e. V=Din/Dout, wirkt die Zylinderlinsenteleskopanordnung 54 in Richtung der kurzen Achse so, dass der Strahldurchmesser des eintreffenden Lichtstrahls verkleinert wird.
  • Im Strahlengang nach der Zylinderlinsenteleskopanordnung 54 ist eine anamorphotische Homogenisierungsoptik 56 vorgesehen, die Teil der Strahlformungseinrichtung 34 des optischen Systems 30 der 3a und 3b ist. Die anamorphotische Homogenisierungsoptik 56 ist dazu eingerichtet, die Intensität der einfallenden Lichtstrahlen in Richtung der y-Achse der Beleuchtungslinie zu homogenisieren. Die anamorphotische Homogenisierungsoptik 56 umfasst beispielsweise zwei parallel zueinander angeordnete Zylinderlinsenarrays. Die Zylinderlinsenarrays teilen die einfallende Strahlung in einzelne Teilbündel auf und überlagern diese ganzflächig oder wenigstens teilflächig, so dass die Lichtstrahlung weitgehend homogenisiert wird. Bei mehreren einfallenden Lichtstrahlen wird jeder Lichtstrahl in einzelne Teilbündel aufgeteilt und homogenisiert überlagert. Bei mehreren einfallenden Teillichtstrahlen wird jeder Teillichtstrahl in einzelne Teilbündel aufgeteilt und homogenisiert überlagert. Eine derartige Homogenisierungsoptik wird beispielsweise in dem hier in der Offenbarung eingeschlossenen Stand der Technik gemäß DE 42 20 705 A1 , DE 38 29 728 A1 oder DE 102 25 674 A1 näher beschrieben.
  • Die Strahlformungseinrichtung 34 des optischen Systems 30 weist ferner im Strahlengang hinter der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 56 eine Kondensorzylinderlinse 58 auf, welche dazu eingerichtet ist, die anhand der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 56 umverteilten Lichtstrahlen bzw. Teillichtstrahlen telezentrisch auf die Beleuchtungslinie zu lenken und bezüglich der langen Achse, also in y-Richtung, dort zu überlagern. Die Kombination aus der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 56 und der Kondensorzylinderlinse 58 erlaubt also die Formung einer Einzelbeleuchtungslinie, oder mehrerer Einzelbeleuchtungslinien im Fall von mehreren einfallenden Lichtstrahlen, zu einer (Gesamt-)Beleuchtungslinie.
  • Die Kombination aus der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 56 und der Kondensorzylinderlinse 58 können eine anamorphotische Optik sein oder Teil einer solchen Optik sein. Sie können insbesondere Teil einer anamorphotischen Optik sein, wie sie in den 4 bis 6 des in die vorliegende Offenbarung eingeschlossenen Dokuments DE 10 2012 007 601 A1 bezüglich der anamorphotischen Optik 42 beschrieben ist.
  • Insbesondere kann die Strahlformungseinrichtung 34 weiterhin eines oder mehrere der folgenden optischen Elemente umfassen:
    • - eine erste Kollimationszylinderlinse, in der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 54 versehen, zur Kollimation von bezüglich der x-Achse emittierten Laserstrahlen,
    • - eine zweite Kollimationszylinderlinse, in der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 56 versehen, zur Kollimation von bezüglich der y-Achse emittierten Laserstrahlen,
    • - eine im Strahlengang hinter der ersten Kollimationszylinderlinse angeordnete Zylinderlinse, in der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 58 versehen, zur Fokussierung der Lichtstrahlen bezüglich der x-Achse auf ein Zwischenbild, in der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 60 versehen,
    • - eine im Strahlengang hinter der ersten Kollimationszylinderlinse angeordnete Zwischenkollimationszylinderlinse zur Kollimation der Lichtstrahlen des ersten Zwischenbildes, und/oder
    • - eine im Strahlengang hinter dem ersten Zwischenbild, insbesondere hinter der Zwischenkollimationszylinderlinse angeordnete weitere Zylinderlinse, in der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 62 versehen, zur Fokussierung der Lichtstrahlen bezüglich der x-Achse auf ein zweites Zwischenbild, in der DE 10 2012 007 601 A1 mit Bezugszeichen 64 versehen.
  • Die oben beschriebene anamorphotische Homogenisierungsoptik 56 kann beispielsweise die in den 4 bis 6 der DE 10 2012 007 601 A1 gezeigte Komponente 68 darstellen oder umfassen.
  • Die oben beschriebene Kondensorzylinderlinse 58 kann beispielsweise die in den 4 bis 6 der DE 10 2012 007 601 A1 gezeigte Kondensorzylinderlinse 74 darstellen oder umfassen.
  • Der Kondensorzylinderlinse 58 ist im Strahlengang des optischen Systems 30 eine zylindrische Objektivanordnung 60 nachgeordnet. Die zylindrische Objektivanordnung 60 ist Teil der Abbildungseinrichtung 36.
  • Die zylindrische Objektivanordnung 60 ist so ausgebildet, dass sie nur in Richtung der x-Achse (kurze Achse) wirkt, und zwar so, dass einfallendes Licht bezüglich der kurzen Achse auf die Beleuchtungslinie 14 abgebildet oder fokussiert wird. Oder anders ausgedrückt: Die zylindrische Objektivanordnung 60 bildet die Lichtstrahlen als die Beleuchtungslinie 14 ab, wobei ausschließlich die kurze Achse des Strahlprofils, nicht jedoch die homogenisierte lange Achse des Strahlprofils fokussiert wird. Die kurze Achse ist ebenfalls homogenisiert, wie später erläutert wird. Die zylindrische Objektivanordnung 60 kann beispielsweise eine Fokussierzylinderlinsenoptik sein.
  • Das optische System 30 wird mittels eines zwischen der zylindrischen Objektivanordnung 60 und der zu bearbeitenden Halbleitermaterialschicht angeordneten Schutzfensters 63 vor Verunreinigungen geschützt.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist nun die optische Abbildungseinrichtung 36 so ausgelegt und bezüglich der ersten Treppenspiegelanordnung 32a und der Beleuchtungsebene auf der zu bearbeitenden Halbleitermaterialschicht, die eine Bildebene bildet oder in der die Bildebene gelegen ist, so angeordnet, dass die beleuchteten Treppenspiegelelemente 40 der ersten Treppenspiegelanordnung 32a als Objekte von der optischen Abbildungseinrichtung 36 in die Bildebene bzw. in die Bildebenen übertragen und dort abgebildet werden. Genauer gesagt, die beleuchteten seitlichen Aufteilungskanten 52 der ersten Treppenspiegelelemente 40 werden in der Bildebene bzw. in den Bildebenen abgebildet. Die beleuchteten seitlichen Aufteilungskanten 52 der ersten Treppenspiegelelemente 40 sind in dem um 90° gedrehten Strahlprofil 48 nach den zweiten Treppenspiegelelementen bezüglich 4 oben und unten angeordnet, also in x-Richtung angeordnet, und können durch die in Richtung der x-Achse (kurze Achse) wirkende optische Abbildungseinrichtung 36 in der Bildebene abgebildet werden.
  • In der 3a und 3b ist die Objektweite a eingezeichnet, d.h. der Abstand zwischen den ersten Treppenspiegelelementen 40 und der objektseitigen Hauptebene der zylindrischen Objektivanordnung 60 mit der Zylinderlinsenteleskopanordnung 54, und die Bildweite b, d.h. der Abstand zwischen der der bildseitigen Hauptebene der zylindrischen Objektivanordnung 60 mit der Zylinderlinsenteleskopanordnung 54 und der Bildebene 61. Die ersten Treppenspiegelelemente 40 liegen in einer Objektebene 67. Hat das Abbildungssystem mit der zylindrischen Objektivanordnung 60 und der Zylinderlinsenteleskopanordnung 54 eine Brennweite f, so muss für die Abbildung der ersten Treppenspiegelelemente 40 durch das Abbildungssystem 36 auf der Bildebene 61 die Bildweite b der Gleichung b= (f*a)/(a-f) genügen. Diese Beziehung ist aus der Abbildungsgleichung 1/f = 1/b + 1/a abgeleitet.
  • Die Bildebene 61 ist in einer Beleuchtungsebene 63 gelegen, also eine ebene Fläche, in die die Beleuchtungslinie 14 abgebildet werden soll, um diese mit der Beleuchtungslinie 14 zu beleuchten. Die Beleuchtungsebene 63 und damit die Bildebene 61 kann auf einem zu behandelnden Substrat, wie der zu bearbeitenden Halbleitermaterialschicht gelegen sein, die mittels der Beleuchtungslinie beleuchtet und dadurch bearbeitet werden soll. Sie kann auch in einem oberflächennahen Bereich des zu behandelnden Substrats bzw. der zu bearbeitenden Halbleitermaterialschicht gelegen sein.
  • Die zylindrische Objektivanordnung 60 ist ferner eine verkleinernde zylindrische Objektivanordnung. Die ersten Treppenspiegelelemente 40 werden also in Richtung der x-Achse verkleinert auf der Bildebene abgebildet, d.h. der Abbildungsmaßstab ist kleiner als 1. Die Größe der Verkleinerung kann über das Verhältnis der Objektweite zu der Brennweite f der Objektivanordnung 60 eingestellt werden (für den Fall, dass die Zylinderlinsenteleskopanordnung auf unendlich-unendlich eingestellt ist). Typische Verkleinerungen durch die zylindrische Objektivanordnung 60 liegen beispielweise im Bereich von einer 20-fachen Verkleinerung bis zu einer 100-fachen Verkleinerung.
  • Zu der verkleinernden Abbildung durch die zylindrische Objektivanordnung 60 kommt noch die oben beschriebene Verkleinerung durch die Zylinderlinsenteleskopanordnung 54. Beträgt der Abbildungsmaßstab der zylindrischen Objektivanordnung 60 beispielsweise 1/40, was einer 40-fachen Verkleinerung entspricht, und die Zylinderlinsenteleskopanordnung 54 verkleinert um den Faktor 3, was einer Verkleinerung um 1/3 entspricht, ist der Abbildungsmaßstab des gesamten optischen Systems 30 in Richtung der kurzen Achse (x-Achse) 1/120. Der Abbildungsmaßstab M2 für das gesamte optische System 30 ist also M2=V* M1, wobei M1 der Abbildungsmaßstab der zylindrischen Objektivanordnung 60 ist und V die Verkleinerung der Zylinderlinsenteleskopanordnung 54 ist.
  • Auf diese Weise ist es möglich, kleine Bilder der Treppenspiegelelemente in Richtung der x-Achse auf der Bildebene, also auf der Beleuchtungsebene der Halbleitermaterialschicht, zu bilden. Die Bilder der Treppenspiegelelemente ergeben die kurze Achse der Beleuchtungslinie. Damit ergibt sich eine schmale Linie mit relativ hoher Intensität in der x-Richtung.
  • Die Intensität ist ferner homogen entlang der x-Achse, mit relativ steilen seitlichen Flanken, wie im Folgenden genauer dargelegt wird.
  • Wie oben bezüglich der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 56 beschrieben wurde, wird der aus den Teillichtstrahlen 46 bestehende Lichtstrahl anhand der anamorphotischen Homogenisierungsoptik 56 entlang der langen Achse (y-Achse) räumlich überlagert, um eine homogene Intensität entlang der y-Achse zu erhalten. Dabei entsteht auch eine Überlagerung des Lichtstrahls entlang der kurzen Achse. Insbesondere entsteht dabei auch eine Überlagerung der die ersten Treppenspiegelelemente 40 abbildenden Teillichtstrahlen 46 in der Bildebene.
  • Die Teillichtstrahlen 46 der kurzen Achse ergeben Teilbilder der ersten Treppenspiegelelemente 40 mit den Intensitätsverteilungen, die im einfallenden Lichtstrahl 38 mit ovalem Strahlprofil vorhanden sind. Dies soll im folgenden näher anhand von 5a, 5b-1 bis 5b-4 und 5c erläutert werden.
  • 5a zeigt schematisch die Aufteilung des Gaußschen Intensitätsprofil 62 des einfallenden Lichtstrahls 38 entlang der langen Achse (y-Achse) an den ersten Strahltransformationselementen 40. Durch die Reflektion an den ersten Strahltransformationselementen 40 wird der einfallende Lichtstrahl 38 in Teillichtstrahlen 42 aufgeteilt, deren Strahlprofil entlang der langen Achse jeweils einem Abschnitt des Strahlprofils 50 des einfallenden Lichtstrahls 38 entspricht. Damit entspricht die Intensität entlang der langen Achse eines Teillichtstrahls 42 einem Abschnitt des in 5a gezeigten Intensitätsverlaufs 62. Die Abschnitte des Intensitätsverlaufs 62, die jeweils einem Teillichtstrahl zuzuordnen sind, sind in der 5a mit dem Bezugszeichen 64 gekennzeichnet. Dabei ist in der 5a zu sehen, dass die Intensität der Strahlprofilabschnitte seitlich steil abfällt bedingt durch die Aufteilung des Lichtstrahls 38 an den seitlichen scharfen Kanten 52 der ersten Strahltransformationselemente 40. In dem hier gezeigten Beispiel hat der einfallende Lichtstrahl 38 ein Gaußprofil mit einer Breite von 20 mm und wird durch die vier ersten Strahltransformationselemente 40 in Strahlprofilabschnitte mit einer Breite (y-Richtung des einfallenden Lichtstrahls 38) von je 5 mm aufgeteilt.
  • Die 5b-1 bis 5b-4 zeigen nun die Intensität der einzelnen Strahlprofilabschnitte.
  • Dabei zeigt die Linie 68 der 5b-1 den Intensitätsverlauf, der dem Teillichtstrahl 42 des äußersten ersten Treppenspiegelelements 40 der ersten Treppenspiegelanordnung 32a zuzuordnen ist, also des Treppenspiegelelements 49, der bezüglich 4 ganz links außen angeordnet ist. Die Linie 70 der 5b-2 zeigt den Intensitätsverlauf, der dem Teillichtstrahl 42 des zweiten ersten Treppenspiegelelements 40 zuzuordnen ist, die Linie 72 der 5b-3 zeigt den Intensitätsverlauf, der dem Teillichtstrahl 42 des dritten ersten Treppenspiegelelements 40 zuzuordnen ist, und die Linie 74 der 5b-4 zeigt den Intensitätsverlauf, der dem Teillichtstrahl 42 des vierten ersten Treppenspiegelelements 40 zuzuordnen ist (rechts außen bezüglich 4). Dabei ist in den 5b-1 bis 5b-4 der Intensitätsverlauf der Teillichtstrahlen vor deren Überlagerung und nach dem Durchlaufen durch die optische Abbildungseinrichtung 36 zu sehen. Durch die 90° Drehung an den zweiten Strahltransformationselementen 44 ist die lange Achse des Strahlprofils des einfallenden Lichtstrahls 38 und damit der Teilstrahlabschnitte 50 nach den zweiten Strahltransformationselementen 44 in Richtung der kurzen Achse der nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen 46 ausgerichtet. Dementsprechend entspricht die Richtung der x-Achse der 5b-1 bis 5b-4 jeweils der Richtung der kurzen Achse der nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen 46, so dass der steile seitliche Intensitätsabfall nun den (bezüglich 4) oberen und unteren Kanten 52 der Strahlprofilabschnitte 48 zuzuordnen sind. In dem hier gezeigten Beispiel verkleinert die optische Abbildungseinrichtung 36 entlang der kurzen Achse um einen Faktor 100x. Folglich ist die Ausdehnung von 5 mm in y-Richtung der Strahlprofilabschnitte 50, die nach der Drehung um 90° an den zweiten Strahltransformationselementen 44 der Ausdehnung in x-Richtung (entlang der kurzen Achse) der Strahlprofilabschnitte 48 entspricht, nach der Abbildung durch die optische Abbildungseinrichtung 36 auf 50 µm verkleinert. Diese Ausdehnung in x-Richtung ist in den 5b-1 bis 5b-2 durch die Ausdehnung des Intensitätsverlaufs entlang der x-Achse gezeigt. Zusätzlich dazu sind die steilen seitlichen Flanken der 5a „aufgeweicht“, das heißt, die steilen seitlichen Flanken fallen flacher ab als in 5a gezeigt und sind damit etwas breiter. Diese Aufweichung ist bedingt durch die Beugungsbegrenzung der optischen Abbildungseinrichtung 36, die weiter unten nochmal genauer erläutert wird. Insbesondere ergibt sich eine Verschmierung, d.h. eine Kantenschärfe, die kleiner als 10 µm ist (eine Breite von kleiner 10 µm zwischen einer ersten Intensität, bei der die Intensität 10% von einem maximalen Intensität entspricht, und einer zweiten Intensität, bei der die Intensität 90% von der maximalen Intensität entspricht).
  • Durch die zweite Umlenkung an den zweiten Strahltransformationselementen 44 sind die Teillichtstrahlen so nebeneinander angeordnet, dass sie so überlagert werden können, dass die steilen Flanken der Intensitätsverläufe zusammenfallen. Dies soll nun anhand von 5c genauer erläutert werden.
  • 5c zeigt den überlagerten Intensitätsverlauf, d.h. den Intensitätsverlauf, der sich ergibt, wenn die Teillichtstrahlen überlagert werden. Im überlagerten Intensitätsverlauf 66 ergibt sich eine annähernd konstante Intensität über die gesamte Breite, also ein flacher Intensitätsverlauf („flat-top“). Wie in 5c zu sehen ist, werden die Teillichtstrahlen 42 so überlagert, dass die „scharfen“ Kanten der Intensitätsprofile der Teillichtstrahlen 42 zusammenfallen. Diese „scharfen“ Kanten sind in der 5c seitlich links und rechts gezeigt. An diesen „scharfen“ Kanten fällt die Intensität steil ab. Im überlagerten Intensitätsverlauf 66 ergibt sich dadurch auch ein steil abfallender Verlauf 71 an den Seiten. Der überlagerte Intensitätsverlauf 66 verläuft damit annähernd konstant über die gesamte Breite mit steil abfallenden Flanken 71.
  • Wie oben erläutert, da die Teillichtstrahlen 42 an den zweiten Strahltransformationselementen 44 der zweiten Anordnung 32b nochmal um 90° umgelenkt werden und dadurch auch die Strahlprofile der einzelnen Teillichtstrahlen 42 um 90° gedreht werden, bevor sie übereinandergelegt werden, sind die in 5c seitlichen Kanten 70 nach der Drehung oben und unten, also an den scharfen Kanten 52 der 4, entlang der x-Richtung (kurze Achse) angeordnet, und der sich durch die Überlagerung ergebende flache überlagerte Intensitätsverlauf 66 der 5c ist nach der Drehung und Überlagerung der Intensitätsverlauf entlang der kurzen Achse (x-Achse). Durch die Aufteilung an den ersten Strahltransformationselementen 40, die Drehung um 90° an den zweiten Strahltransformationselementen 44 und die Überlagerung der Teillichtstrahlen 46 in y-Richtung, was auch eine Überlagerung in x-Richtung bedingt, ergibt sich also der in x-Richtung flach verlaufende homogenisierte Intensitätsverlauf 66 mit den steil abfallenden Kanten 71.
  • Um den flach verlaufenden homogenisierten Intensitätsverlauf 66 feinfühlig einstellen zu können, sind die Treppenspiegelelemente 44 der zweiten Treppenspiegelanordnung 32b feinverstellbar in Winkel und Position. Insbesondere kann der Neigungswinkel bezüglich der Propagationsrichtung der einfallenden Lichtstrahlen 42 feinfühlig (beispielweise um 1/10°) verändert werden sowie die Position in alle drei Raumrichtungen, insbesondere in x-Richtung.
  • Durch die Abbildung in x-Richtung durch die Abbildungseinrichtung 36 ergibt sich eine Verschmierung in x-Richtung, bedingt durch die begrenzte Auflösung durch Beugung (Beugungsbegrenzung). Dadurch werden die steil abfallenden Flanken der 5a mit einer Verschmierung abgebildet. Die numerische Apertur der zylindrischen Abbildung ist nun so gewählt, dass die Verschmierung, d.h. die gewünschte Kantenschärfe, kleiner als 10 µm (eine Breite von kleiner 10 µm zwischen einer ersten Intensität, bei der die Intensität 10% von einem maximalen Intensität entspricht, und einer zweiten Intensität, bei der die Intensität 90% von der maximalen Intensität entspricht) ist, sich aber noch eine Schärfentiefe von mehreren 100 µm ergibt. Die numerische Apertur ist also relativ klein.
  • Folgendes Beispiel soll die oben diskutierten Zusammenhänge erläutern:
    • An der ersten Treppenspiegelanordnung 32a wird ein zylindrisch aufgeweiteter Lichtstrahl 38 von 20 mm x 4 mm in 4 Teillichtstrahlen 42 geteilt. Die ersten Treppenspiegelelemente 40 haben jeweils eine Breite (Ausdehnung in y-Richtung des Lichtstrahls 38) von 5 mm, so dass die Teillichtstrahlen 42 auch eine entsprechende Abmessung in dieser Richtung haben. Die ersten Treppenspiegelelemente 40 haben typischerweise einen Abstand im Bereich von 3 m bis 5 m zur Abbildungslinse 60, er kann sogar noch mehr betragen. Eine Abbildungslinse 60 mit der Brennweite f=150 mm führt zu einem Verkleinerungsmaßstab von ca. 30x. Stellt man die Verkleinerung mit dem kollimierten Zylinderlinsenteleskop 54 auf z. B. 100x ein, so erhält man 5mm/100= 50 µm als Breite für die Treppenspiegelelementbilder. Da die Treppenspiegelelementbilder gedreht wurden, ist diese Breite die Abmessung in x-Richtung (kurze Achse).
  • Die beugungsbegrenzte Auflösung der zylindrischen Abbildung liefert bei typischen numerischen Aperturen zwischen 0,1 und 0,15 der Zylinderlinsenobjektivanordnung 60 eine Auflösung, die die gewünschte 10 µm Kantenschärfe unterschreitet. Die Schärfentiefe ergibt sich für eine Verschmierung um 10µm zu +/- 10 µm/0,05= +/-200 µm.
  • Wie der 4 zu entnehmen ist, sind die ersten Treppenspiegelelemente 40 in z-Richtung unterschiedlich positioniert, so dass ihr Abstand zur zylindrischen Objektivanordnung 60 und damit die Objektweite unterschiedlich ist. Die Bildweiten und damit Bildebenen der einzelnen Treppenspiegelelemente 40 sind jedoch nur wenig unterschiedlich, da die Treppenspiegelelemente 40 typischerweise nicht mehr als 50 mm in z-Richtung auseinander liegen. So ist die Bildebene für eine Objektweite von 5000 mm im Vergleich zu einer Bildebene für eine Objektweite von 5050 mm, für eine 30-fache Verkleinerung mit einer zylindrischen Objektivanordnung 60 mit einer Brennweite von f=150 mm, nur um weniger als 50 µm in der z-Richtung beabstandet. Unter Berücksichtigung eines kollimierten Zylinderlinsenteleskops 58 mit 3-facher Verkleinerung im objektseitigen Strahlengang wird der Unterschied weniger als 5 µm.
  • Anordnungen zum Annealen dünner Halbleiterschichten, beispielweise dünner a-Si Schichten, benötigen mehrere Laserstrahlen, um ausreichend Pulsenergie in einer langen Linie zur Verfügung zu stellen. Werden mehrere Laserstrahlen benutzt, wird das optische System 30 der 3a und 3b so verändert, dass für jeden Laserstrahl parallel ein Strahlengang mit einer ersten und zweiten Transformationseinrichtung 32a, 32b und einer verkleinernden Zylinderlinsenteleskopanordnung 54 aufgebaut wird. Die Strahlformungseinrichtung 34 mit der anamorphotischen Homogenisierungsanordnung 56 und der Kondensorlinse 58 sowie die zylindrische Objektivanordnung 60 werden dann für alle Laserstrahlen gemeinsam benutzt. Auf diese Weise werden weitere Linien in der Bildebene überlagert.
  • Aus geometrischen Anordnungsgründen können größere Wegunterschiede von den Treppenspiegelanordnungen 32a, 32b zur zylindrischen Objektivanordnung 60 auftreten, wenn mehrere Laserstrahlen kombiniert werden. Dabei können Strahlwegunterschiede von bis zu 500 mm auftreten. Zusätzlich ist zu berücksichtigen, dass das Bild der Treppenspiegelelemente 40 eine kürzere z-Lage erhält, und damit eine kleinere Bildweite hat, je weiter der Laserstrahl in der 90° gedrehten Achse von der optischen Achse entfernt durch die anamorphotische Homogenisierungsanordnung 56 geführt wird. Dies liegt daran, dass die achsenfernen Lichtstrahlen einen längeren Weg durch das Material der zylindrischen Abbildungsanordnung 60 haben als achsennahe Strahlen.
  • Um diese Unterschiede in den Bildlagen auszugleichen, ist das optische System entweder so ausgebildet, dass durch zusätzliche reflektive Elemente im Strahlengang Strahlumwege für manche Lichtstrahlen eingebaut werden. Solche zusätzliche reflektive Elemente 82 sind schematisch in 6 für ein optisches System 80 gezeigt. Dabei lässt sich die relative Position der reflektiven Elemente 82 zueinander verändern, um den Strahlumweg 84 variabel einstellen zu können. Alternativ kann der Abstand 86 zwischen den optischen Elementen der Zylinderlinsenteleskopanordnung 54 verändert werden. Da bei mehreren Laserstrahlen getrennte Zylinderlinsenteleskopanordnungen 54 für jeden Laserstrahl vorhanden sind, kann über die Verstimmung der einzelnen Zylinderlinsenteleskopanordnungen 54 ein Bildlagenausgleich für die verschiedenen Laserstrahlen erzielt werden, so dass keine Schärfentiefe verloren geht.
  • Das offenbarte optische System ist also so ausgelegt, dass die durch den einfallenden Lichtstrahl beleuchteten ersten Elemente der Strahltransformationsanordnung als Objekte dienen, die durch die optische Abbildungseinrichtung optisch als Bilder verkleinert in der Beleuchtungsebene auf bzw. in der Halbleitermaterialschicht abgebildet werden. Durch die Strahlformungseinrichtung werden die Bilder in der y-Richtung (lange Achse) räumlich überlagert und damit räumlich überlagert abgebildet. Insbesondere werden durch die optische Abbildungseinrichtung Kanten der beleuchteten Strahltransformationsanordnung so verkleinert abgebildet, dass sich eine schmale Beleuchtungslinie in x-Richtung mit hoher, annähernd konstanter Intensität in der x-Richtung ergibt, wobei die Intensität an den Rändern der Beleuchtungslinie steil abfällt. Dabei wirkt sowohl die Zylinderlinsenteleskopanordnung als auch die optische Abbildungseinrichtung verkleinernd. Eine Beleuchtungslinie mit dieser Charakteristik entlang der kurzen Achse kann regelmäßige polykristalline Kornstrukturen erzeugen.

Claims (16)

  1. Optisches System (30, 80) zur Homogenisierung der Intensität von Lichtstrahlung zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, umfassend: eine optische Strahltransformationsanordnung (32) mit einer ersten Anordnung (32a) mit ersten Strahltransformationselementen (40), die dazu eingerichtet ist, einen einfallenden Lichtstrahl (38), dessen Strahlprofil (50) eine kurze Achse in einer x-Richtung und eine lange Achse in einer y-Richtung aufweist, wobei die x-Richtung und die y-Richtung jeweils senkrecht zu einer Propagationsrichtung des Lichtstrahls sind, entlang der langen Achse geometrisch in Teillichtstrahlen (42) umzulenken und aufzuteilen, so dass eine Propagationsrichtung der Teillichtstrahlen (42) verschieden von der Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls (38) ist, und einer zweiten Anordnung (32b) mit zweiten Strahltransformationselementen (44), die im Strahlengang der Teillichtstrahlen (42) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, die umgelenkten Teillichtstrahlen (42) nochmals umzulenken, wobei ein Strahlprofil (48) eines nochmals umgelenkten Teillichtstrahles (46) in x-Richtung, bezogen auf die Propagationsrichtung des nochmals umgelenkten Teillichtstrahls (46), einem Abschnitt des Strahlprofils (50) des einfallenden Lichtstrahls (38) in y-Richtung, bezogen auf die Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls (38), entspricht,dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (30, 80) ferner umfasst eine im Strahlengang der nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen (46) angeordnete, der optischen Strahltransformationsanordnung (32) nachgeordnete Strahlformungseinrichtung (34), die dazu eingerichtet ist, die nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen (46) bezüglich der y-Richtung räumlich als eine in einer Beleuchtungsebene (65) gelegene Beleuchtungslinie (14) zu überlagern, und eine im Strahlengang der nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen (46) angeordnete, der optischen Strahltransformationsanordnung (32) nachgeordnete optische Abbildungseinrichtung (36), die so eingerichtet und angeordnet ist, dass die ersten Strahltransformationselemente (40) in einer in der Beleuchtungsebene (65) gelegenen Bildebene (61) optisch abgebildet werden.
  2. Optisches System (30, 80) nach Anspruch 1, wobei die optische Abbildungseinrichtung (36) so ausgebildet ist, dass sie die Teillichtstrahlen (46) nur in x-Richtung abbildet.
  3. Optisches System (30, 80) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die optische Abbildungseinrichtung (36) so eingerichtet und angeordnet ist, dass die erste Anordnung (32a) in einer zu der Bildebene (61) konjugierten Objektebene (67) der optischen Abbildungseinrichtung (36) liegt.
  4. Optisches System (30, 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Abbildungseinrichtung (36) so eingerichtet und angeordnet ist, dass die ersten Strahltransformationselemente (40) verkleinert optisch abgebildet werden.
  5. Optisches System (30, 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Abbildungseinrichtung (36) so eingerichtet und angeordnet ist, dass die ersten Strahltransformationselemente (40) jeweils zwei seitliche Aufteilungskanten (52) aufweisen, an denen der einfallende Lichtstrahl (38) geometrisch in die Teillichtstrahlen (42) aufgeteilt wird, und wobei die jeweils zwei seitlichen Aufteilungskanten (52) optisch in der Bildebene abgebildet werden.
  6. Optisches System (30, 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungsebene (65) durch die Oberfläche der zu bearbeitenden Halbleitermaterialschicht gebildet ist und/oder in einem oberflächennahen Bereich der zu bearbeitenden Halbleitermaterialschicht liegt.
  7. Optisches System (30, 80) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die optische Abbildungseinrichtung (36) eine im Strahlengang des optischen Systems (30, 80), insbesondere zwischen der optischen Strahltransformationseinrichtung (32) und der Strahlformungseinrichtung (34), angeordnete Zylinderlinsenteleskopanordnung (54) aufweist, die dazu eingerichtet ist, den Strahlquerschnitt der Teillichtstrahlen (46) in der x-Richtung zu verändern.
  8. Optisches System (30, 80) nach Anspruch 7, wobei die Zylinderlinsenteleskopanordnung (54) dazu eingerichtet ist, den Strahlquerschnitt der Teillichtstrahlen (46) in der x-Richtung zu verkleinern.
  9. Optisches System (30, 80) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die optische Abbildungseinrichtung (36) eine im Strahlengang hinter der Strahlformungseinrichtung (34) angeordnete Zylinderlinsenobjektivanordnung (60) umfasst, die dazu eingerichtet ist, in der x-Richtung abzubilden.
  10. Optisches System (30, 80) nach Anspruch 9 und Anspruch 7 oder nach Anspruch 9 und Anspruch 8, wobei die Zylinderlinsenobjektivanordnung (60) mit der Zylinderlinsenteleskopanordnung (54) eine Brennweite f hat, und wobei eine Bildweite b der Gleichung b = f * a / ( a − f )
    Figure DE102019118676B4_0002
    genügt, wobei die Bildweite b der Abstand zwischen der bildseitigen Hauptebene der Zylinderlinsenobjektivanordnung (60) mit der Zylinderlinsenteleskopanordnung (54) und der Bildebene (61) ist, und eine Objektweite a ein Abstand zwischen der ersten Anordnung (32a) und der objektseitigen Hauptebene der Zylinderlinsenobjektivanordnung (60) mit der Zylinderlinsenteleskopanordnung (54) ist.
  11. Optisches System (30, 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten Strahltransformationselemente (44) jeweils verstellbar bezüglich einer Raumposition und einem Neigungswinkel relativ zu der Propagationsrichtung des einfallenden Teillichtstrahles (42) sind.
  12. Optisches System (30, 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Strahltransformationselemente (40) so ausgebildet und angeordnet sind, dass die Propagationsrichtung der Teillichtstrahlen (42) um 90° umgelenkt bezüglich der Propagationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls (38) ist, und/oder wobei die zweiten Strahltransformationselemente (44) so ausgebildet und angeordnet sind, dass eine Propagationsrichtung der nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen (46) um 90° umgelenkt bezüglich der Propagationsrichtung der Teillichtstrahlen (42) ist.
  13. Optisches System (30, 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder zweite Anordnung (32a, 32b) jeweils zwei oder mehr reflektive Elemente umfassen.
  14. Optisches System (30, 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Anordnung eine erste Treppenspiegelanordnung (32a) mit ersten reflektiven Elementen (40) umfasst, die versetzt zueinander angeordnet sind, und wobei die zweite Anordnung eine zweite Treppenspiegelanordnung (32b) mit zweiten reflektiven Elementen (44) umfasst, die jeweils versetzt zueinander angeordnet sind.
  15. Optisches System (30, 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens eine Lichtquelle zur Bereitstellung einer Vielzahl an Lichtstrahlen, eine Vielzahl an optischen Strahltransformationsanordnungen (32) mit jeweils einer ersten Anordnung (32a) mit ersten Strahltransformationselementen (40), wobei die ersten Anordnungen (32a) jeweils dazu eingerichtet sind, einen einfallenden Lichtstrahl (38) von der Vielzahl an einfallenden Lichtstrahlen, deren Strahlprofil jeweils eine kurze Achse in einer x-Richtung und eine lange Achse in einer y-Richtung aufweist, wobei die x-Richtung und die y-Richtung jeweils senkrecht zu einer Propagationsrichtung des jeweiligen Lichtstrahls (38) sind, entlang der langen Achse geometrisch in Teillichtstrahlen (42) umzulenken und aufzuteilen, so dass eine Propagationsrichtung der Teillichtstrahlen (42) verschieden von der Propagationsrichtung des jeweiligen einfallenden Lichtstrahls (38) ist, und mit jeweils einer zweiten Anordnung (32b) mit zweiten Strahltransformationselementen (44), wobei die zweiten Anordnungen (32b) jeweils im Strahlengang der Teillichtstrahlen (42) einer ersten Anordnung (32a) angeordnet sind und jeweils dazu eingerichtet sind, die umgelenkten Teillichtstrahlen (42) nochmals umzulenken, wobei ein Strahlprofil (48) eines nochmals umgelenkten Teillichtstrahles (46) in x-Richtung, bezogen auf die Propagationsrichtung des nochmals umgelenkten Teillichtstrahls (46), einem Strahlprofilabschnitt (50) des jeweiligen einfallenden Lichtstrahls (38) in y-Richtung, bezogen auf die Propagationsrichtung des jeweiligen einfallenden Lichtstrahls (38), entspricht, eine im Strahlengang der nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen der Vielzahl an einfallenden Lichtstrahlen angeordnete, der Vielzahl an optischen Strahltransfor- mationsanordnungen (32) nachgeordnete Strahlformungseinrichtung (34), die dazu eingerichtet ist, die nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen der Vielzahl an einfallenden Lichtstrahlen bezüglich der y-Richtung räumlich als eine in einer Beleuchtungsebene (65) gelegene Beleuchtungslinie (14) zu überlagern, und eine im Strahlengang der nochmals umgelenkten Teillichtstrahlen (46) der Vielzahl an einfallenden Lichtstrahlen angeordnete, der Vielzahl an optischen Strahltransformationsanordnungen (32) nachgeordnete optische Abbildungseinrichtung (36), die so eingerichtet und angeordnet ist, dass die ersten Strahltransformationselemente (40) der Vielzahl an ersten Anordnungen (32a) in einer in der Beleuchtungsebene (65) gelegenen Bildebene (61) optisch abgebildet werden.
  16. Anlage zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht, insbesondere zur Erzeugung einer kristallinen Halbleiterschicht, mit einem optischen System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, umfassend: - einen Träger (10), auf welche eine Halbleitermaterialschicht (12) aufgebracht ist, wobei die Anlage dazu ausgebildet und angeordnet ist, die Halbleitermaterialschicht (12) mit der Beleuchtungslinie (14) des optischen Systems zu beaufschlagen.
DE102019118676.5A 2019-07-10 2019-07-10 Optisches System zur Homogenisierung der Intensität von Lichtstrahlung und Anlage zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht Active DE102019118676B4 (de)

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