▶ トルンプフ レーザー− ウント ジュステームテヒニク ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-05-24
(54)【発明の名称】作業面上に規定のレーザ照射を生成するための装置
(51)【国際特許分類】
B23K 26/067 20060101AFI20240517BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20240517BHJP
B23K 26/066 20140101ALI20240517BHJP
H01L 21/268 20060101ALI20240517BHJP
【ＦＩ】
B23K26/067
B23K26/064 A
B23K26/064 N
B23K26/066
H01L21/268 J
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023573027
(86)(22)【出願日】2022-05-10
(85)【翻訳文提出日】2023-11-24
(86)【国際出願番号】 EP2022062593
(87)【国際公開番号】W WO2022248209
(87)【国際公開日】2022-12-01
(31)【優先権主張番号】102021113406.4
(32)【優先日】2021-05-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】506065105
【氏名又は名称】トルンプフ レーザー－ ウント ジュステームテヒニク ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
【氏名又は名称原語表記】ＴＲＵＭＰＦ Ｌａｓｅｒ－ ｕｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｔｅｃｈｎｉｋ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｊｏｈａｎｎ－Ｍａｕｓ－Ｓｔｒａｓｓｅ ２， Ｄ－７１２５４ Ｄｉｔｚｉｎｇｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】100114890
【弁理士】
【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト
(74)【代理人】
【識別番号】100098501
【弁理士】
【氏名又は名称】森田 拓
(74)【代理人】
【識別番号】100116403
【弁理士】
【氏名又は名称】前川 純一
(74)【代理人】
【識別番号】100134315
【弁理士】
【氏名又は名称】永島 秀郎
(74)【代理人】
【識別番号】100162880
【弁理士】
【氏名又は名称】上島 類
(72)【発明者】
【氏名】アンドレアス ハイメス
(72)【発明者】
【氏名】ダニエル フラム
【テーマコード（参考）】
4E168
【Ｆターム（参考）】
4E168AC01
4E168AE05
4E168DA34
4E168DA39
4E168EA02
4E168EA13
4E168EA19
4E168EA22
4E168JA12
(57)【要約】
作業面５０上に規定のレーザ照射を生成するための装置は、第１の角度スペクトル２６を有するレーザ原ビーム１４を生成するように構成されたレーザ光源１２を備える。光学アセンブリ６４は、レーザ原ビーム１４を受光し、光軸２０に沿って照射ビーム４８に変形する。照射ビーム４８は、作業面５０と交差するビーム方向５２を規定している。光学アセンブリ６４は、規定の間隔４２を置いて互いに光軸２０に沿って配置された、少なくとも２つのマイクロレンズアレイ（３８，４０）を有する。その規定の間隔４２は、照射ビーム４８が、多数の個別の照射スポット４６を含む照射ビームプロファイル４７を作業面５０の領域において有するように、選択される。光学アセンブリ６４は更に、少なくとも２つのマイクロレンズアレイ（３８，４０）の上流側に光軸２０に沿って配置されたビーム整形素子（２４；６０）を有する。そのビーム整形素子（２４；６０）は、第１の角度スペクトル（２６）とは異なる第２の角度スペクトル（３２）を生成する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
作業面（５０）上に規定のレーザ照射を生成するための装置であって、第１の角度スペクトル（２６）を有するレーザ原ビーム（１４）を生成するように構成されたレーザ光源（１２）と、
前記レーザ原ビーム（１４）を受光し、光軸（２０）に沿って照射ビーム（４８）に変形する光学アセンブリ（６４）と、を備え、
前記照射ビーム（４８）は、前記作業面（５０）と交差するビーム方向（５２）を規定しており、
前記光学アセンブリ（６４）は、規定の間隔（４２）を置いて互いに前記光軸（２０）に沿って配置された、少なくとも２つのマイクロレンズアレイ（３８，４０）を有しており、
前記規定の間隔（４２）は、前記照射ビーム（４８）が、多数の個別の照射スポット（４６）を含む照射ビームプロファイル（４７）を、前記作業面（５０）の領域において有するように、選択されている、装置において、
前記光学アセンブリ（６４）は、前記少なくとも２つのマイクロレンズアレイ（３８，４０）の上流側に前記光軸（２０）に沿って配置されたビーム整形素子（２４；６０）を更に有しており、
前記ビーム整形素子（２４；６０）は、前記第１の角度スペクトル（２６）とは異なる第２の角度スペクトル（３２）を生成することを特徴とする、装置。
【請求項2】
前記第２の角度スペクトル（３２）は、トップハット形状の強度プロファイルを有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記第１の角度スペクトル（２６）は、前記光軸（２０）に対して垂直な平面（２８）内に第１のフットプリント（３０）を有し、前記第２の角度スペクトル（３２）は、前記光軸（２０）に垂直な更なる平面（３４）内に、前記第１のフットプリント（３０）とは異なる第２のフットプリント（３６）を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項4】
前記第２のフットプリント（３６）は多角形であることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項5】
前記光学アセンブリ（６４）は、前記少なくとも２つのマイクロレンズアレイ（３８，４０）のうちの少なくとも１つのマイクロレンズアレイ（４０）を前記光軸（２０）に沿って調整可能である調整機構（４４）を有することを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項6】
前記ビーム整形素子は、前記レーザ原ビーム（１４）を前記光軸（２０）に対して垂直に拡張するビーム変換器（５４）を含むことを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項7】
前記ビーム整形素子は、回折光学素子（６０）を含むことを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項8】
前記ビーム整形素子は、空間フィルタ（２４）を含むことを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項9】
前記ビーム整形素子（２４；６０）は、前記光軸に選択的に挿入可能であることを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項10】
第１の角度スペクトル（２６）を有するレーザ原ビーム（１４）を生成するレーザ光源（１２）を用いて、作業面（５０）上に規定のレーザ照射を生成するための方法であって、前記レーザ原ビーム（１４）を、光学アセンブリ（６４）によって、光軸（２０）に沿って照射ビーム（４８）に変形し、
前記照射ビーム（４８）は、前記作業面（５０）と交差するビーム方向（５２）を規定し、
前記光学アセンブリ（６４）は、少なくとも２つのマイクロレンズアレイ（３８，４０）を有し、これらのマイクロレンズアレイ（３８，４０）を、互いに前記光軸（２０）に沿って規定の間隔（４２）を置いて配置し、
前記規定の間隔（４２）を、前記照射ビーム（４８）が、多数の個別の照射スポット（４６）を含む照射ビームプロファイル（４７）を前記作業面（５０）の領域において有するように、選択する、方法において、
前記光学アセンブリ（６４）は、ビーム整形素子（２４；６０）を更に有し、そのビーム整形素子を、前記少なくとも２つのマイクロレンズアレイ（３８，４０）の上流側に前記光軸（２０）に沿って配置し、
前記ビーム整形素子（２４；６０）によって、前記第１の角度スペクトル（２６）とは異なる第２の角度スペクトル（３２）を生成することを特徴とする、方法。
【請求項11】
前記照射ビームプロファイル（４７）を、前記作業面（５０）に対してジグザグ経路（７８）に沿って移動させることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、作業面上に規定のレーザ照射を生成するための装置に関し、その装置は、第１の角度スペクトルを有するレーザ原ビームを生成するように構成されたレーザ光源と、そのレーザ原ビームを受光し、光軸に沿って照射ビームに変形する光学アセンブリと、を備え、その照射ビームは、作業面と交差するビーム方向を規定しており、その光学アセンブリは、規定の間隔を置いて互いに光軸に沿って配置された、少なくとも２つのマイクロレンズアレイを有しており、その規定の間隔は、照射ビームが、多数の個別の照射スポットを含む照射ビームプロファイルを作業面の領域において有するように、選択されている。
【背景技術】
【0002】
このような装置は、特許文献１に開示されている。
【0003】
ワークピースを加工するために、作業面上への規定のレーザ照射の必要性が多い。ワークピースは、例えば、支持体として使用されるガラス板上のプラスチック材料であり得る。プラスチック材料は、例えば、有機発光ダイオード、いわゆるＯＬＥＤ、及び／又は薄膜トランジスタが製造されるフィルムである。ＯＬＥＤフィルムは、スマートフォン、タブレットＰＣ、テレビなど、表示装置を有する機器のディスプレイに使用されることが多い。電子的な構造を製造した後、フィルムをガラス支持体から剥離する必要がある。これには、レーザ照射を使用して行うのが有利であり、そのレーザ照射は、ガラス板に対して規定の速度において移動させられ、その際、ガラス板を通して、フィルムの接着を剥離することができる。場合によっては、レーザ照射は細いレーザラインであってもよい。このような応用は、実際にはＬＬＯ又はレーザリフトオフといわれることが多い。
【0004】
ワークピースに規定のレーザラインが照射されるもう一つの応用は、支持板上のアモルファスシリコンの行に従った溶融で有り得る。この場合においても、レーザラインはワーク表面に対して規定の速度において移動する。溶融によって、比較的安価なアモルファスシリコンを、より高品質な多結晶シリコンに変化させることができる。このような応用は、実際にはエキシマレーザアニーリング、又はＥＬＡといわれることが多い。ＥＬＡプロセスにおいては、アモルファスシリコンは支持板上においてほぼ完全に溶融し、冷却中に垂直方向に結晶化する。このプロセスは非常にエネルギ集約的であり、シリコンの加工ウィンドウは非常に小さく、レーザラインの均質性と出力安定性が高く要求される。支持板上のアモルファスシリコンをより高品質な多結晶シリコンに変化させるための代替的な方法は、Ｌｕｄｏｌｆ Ｈｅｒｂｓｔ、Ｆｒａｎｋ Ｓｉｍｏｎらによる２つの出版物、すなわち、非特許文献１と非特許文献２とによって知られている。この代替的な方法は、Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ、又はＳＬＳ法といわれ、パターン化したレーザビームが使用される。そのレーザビームによって、アモルファスシリコンを局所的に選択的に溶融し、その際、溶融していない隣接領域から横方向に結晶化が始まる。レーザのビーム経路にマスクを設置することによって、加工面に周期的なパターンが形成される。
【0005】
規定のレーザ照射の他の応用としては、いわゆるレーザ誘導前方転写（ＬＩＦＴ：Ｌａｓｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）、すなわち、例えば剥離され分離されたマイクロＬＥＤ（μＬＥＤ）のその後のディスプレイへの転写のような、すでに剥離された半導体素子の別の支持体への転写が含まれ、並びにレーザ切断又はレーザパンチング加工が含まれる。ワークピース及び応用に応じて、作業面上への個別に規定されたレーザ照射が必要である。
【0006】
特許文献２は、作業面上に規定のレーザラインを生成するための装置を開示している。この装置は、レーザ原ビームをコリメートするコリメータ、並びにビーム変換器、ホモジナイザ、及び集光ステージを備える。ビーム変換器は、コリメートされた原ビームを受け取り、その原ビームをビーム方向に対して横切る方向に拡張する。原理的には、ビーム変換器は、複数のレーザ源から複数のレーザ原ビームを受け取り、それらをより高出力の１つの拡張レーザビームに結合することもできる。ホモジナイザは、１つ又は複数のマルチレンズアレイを有し、そのマルチレンズアレイによって、拡張レーザビームは長軸方向に均一化され、それによって、できるだけ長方形状の（トップハット形状の）強度特性を長軸方向に得ることができる。集光ステージは、変形されたレーザビームを作業面の領域内の規定の位置に集光する。周知の装置は、一般にＬＬＯ応用、及びＳＬＡ応用に適している。しかしながら、その周知の装置は、μＬＥＤの剥離のような特殊なＬＬＯ応用には最適ではない。このような場合には、多数の個別のトップハット形状の強度プロファイルをそれぞれ提供することが望ましい。例えば、多数の個別のトップハット形状の強度プロファイルがラインに沿って等距離に並置される配置が望まれ得る。特許文献２の装置は、そのようなレーザ照射を提供しない。
【0007】
冒頭に述べた特許文献１は、ラインに沿って又は表面上に分布する多数の個別の照射スポットを有するビームプロファイルを生成するための光学アセンブリを開示する。そのアセンブリは、マイクロレンズが並んで配置された複数のマイクロレンズアレイであって、それぞれが均一なアパーチャａを有するマイクロレンズアレイと、それに続くフーリエレンズアセンブリとを含む。更に、その光学アセンブリは、マイクロレンズアレイの少なくとも一部の相互間隔を調整可能な調整機構を有する。それによって、マイクロレンズアレイ全体の有効焦点距離は設定可能である。調整機構は、複数の選択可能な調整位置を有し、その調整位置において、以下の比率
は少なくとも近似的に自然数である。ここで、ａは個々のマイクロレンズの均一なアパーチャであり、λはレーザビームの平均波長であり、ｆＭＬ，ｉは、調整位置ｉによって設定された、マイクロレンズアレイ全体の有効焦点距離ｆＭＬである。
【数1】
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】独国特許出願公告第１０２０１８２１１９７２Ｂ４号明細書
【特許文献2】国際公開第２０１８／０１９３７４Ａ１号パンフレット
【非特許文献】
【0009】
【非特許文献1】「Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ｅｘｃｉｍｅｒ ｌａｓｅｒ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｆｏｒ ＬＴＰＳ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ」、４９－３ ＩＭＩＤ ２００９ ＤＩＧＥＳＴ
【非特許文献2】「１７－４：Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｃｒｅａｔｉｏｎ ｏｆ ＬＴＰＳ ｗｉｔｈ Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ」、Ａｓｉａ Ｄｉｓｐｌａｙ／ＩＭＩＤ ０４ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
周知のアセンブリは、均一な強度分布を維持しながら、レーザビームから生成される照射スポットの数を変化させることを可能にする。しかしながら、個別の照射スポットにおける作業面上のレーザ照射のそれぞれの強度特性をさらに変化させることはできない。このことから、ワークピースの加工の際のさらに大きな柔軟性を可能にするために、冒頭に述べたタイプの装置の発展が望まれている。特に、個々の照射スポットの数だけでなく、その大きさも変化させることが望まれる。従って、本発明の課題は、更に可変的なマルチスポット照射の生成が効率的な方法によって可能となる、冒頭に述べたタイプの装置を提示することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の一局面によれば、冒頭に述べたタイプの装置が提案され、その装置においては、光学アセンブリは、少なくとも２つのマイクロレンズアレイの上流側に光軸に沿って配置されたビーム整形素子をさらに有し、そのビーム整形素子は、第１の角度スペクトルとは異なる第２の角度スペクトルを生成する。
【0012】
これまでの想定に反して、マイクロレンズアレイの上流側においてのビーム整形は、作業面の領域においてビームプロファイルを更に変化させるために非常に有利に利用できることを示している。マイクロレンズアレイの上流側においてのビーム整形は、マイクロレンズアレイを使用して複数の部分ビームに分割される前に、レーザビームに効果を「中心的に」もたらすため、低コスト、且つ効率的である。「マイクロレンズアレイの上流側に」とは、ビーム整形素子が、レーザ光源と少なくとも２つのマイクロレンズアレイとの間に光軸に沿って位置することを意味する。その２つのマイクロレンズアレイを使用して個別の照射スポットが生成される。したがって、ビーム整形素子は、少なくとも２つのマイクロレンズアレイのビーム上流側に位置する。マイクロレンズアレイの使用によって生成される照射スポットの各々は、マイクロレンズ照射の角度スペクトルを表すことが、示されている。したがって、遠視野ビーム整形は、ビーム経路の初期に、したがってマイクロレンズアレイの上流側において、有利に行うことができる。所望の第２の角度スペクトルを有するレーザビームは、マイクロレンズアレイによって効率的に分割され、その所望の第２の角度スペクトルは、複数の個別の照射スポットに複製される。
【0013】
したがって、この新規の装置は、多数の照射スポットの生成に関して、更なる自由度を有する。マイクロレンズアレイの上流側におけるビーム整形の使用によって、照射スポットの角度スペクトルを設定することができる。それによって、特に、作業面上の照射スポットのそれぞれの広がりと形状とを変化させること、又は設定することが可能になる。上記の課題は完全に解決される。
【0014】
好ましい一実施形態においては、第２の角度スペクトルは、トップハット形状の強度プロファイルを有する。
【0015】
トップハット形状の強度プロファイルは、作業面上の加工位置を鋭く画定するため、多くの応用に有利である。これは、フィリグリー加工、及び／又は微細パターンの生成を可能にし、また、多数の加工位置における局所溶解又は局所切削加工のような、狭い空間における同時の表面加工に特に適している。マイクロレンズアレイの上流側における中心的なビーム整形は、多数の照射スポットに対して均一なトップハット形状の強度プロファイルを生成するために有利に使用される。
【0016】
更なる一実施形態においては、第１の角度スペクトルは、光軸に垂直な平面内に第１のフットプリントを有し、第２の角度スペクトルは、光軸に対して垂直な更なる平面内に、第１のフットプリントとは異なる第２のフットプリントを有する。
【0017】
フットプリントは、レーザビームによって生成された照射スポットの輪郭を表す。したがって、フットプリントは、特に、ビーム方向に対して垂直な面上、又は光軸に対して垂直な面上の照射スポットの幾何学的な形状を表す。また、フットプリントは、更に、生成された照射スポットの面広がりを表す。好ましい実施形態においては、そのため、第１のフットプリントと第２のフットプリントとは、それぞれの幾何学的形状に関して、及び／又は面広がりに関して互いに異なっていてもよい。本実施形態によって、作業面上の照射スポットの広がり及び形状を効率的に設定することが可能になる。
【0018】
更なる一実施形態においては、第２のフットプリントは多角形、特に長方形、五角形、六角形、又は八角形である。いくつかの好ましい実施形態においては、第２のフットプリントは、特に０．９と１．１との間の区間を含めた、１の範囲のアスペクト比（最大幅に対する最大長）を有する。したがって、いくつかの好ましい実施形態においては、第２のフットプリントは正方形であってもよい。その実施形態は、数多くの応用において、ワークピースの精密、且つ効率的な加工を可能にし、また、特に、新規の装置が効率的に提供する新しい自由度によって利益を得る。
【0019】
更なる一実施形態においては、光学アセンブリは、少なくとも２つのマイクロレンズアレイのうちの少なくとも１つのマイクロレンズアレイを光軸に沿って調整可能である調整機構を有する。好ましくは、光学アセンブリは、光軸に沿ってマイクロレンズアレイの下流側に配置されたフーリエレンズアセンブリをさらに有する。
【0020】
その調整機構の使用によって、少なくとも２つのマイクロレンズアレイの間隔を互いに選択的に及び可変に設定することができる。それによって、本実施形態は、作業面上の個別の照射スポットの数の可変な設定を可能にする。好ましくは、調整機構は複数の選択可能な調整位置を有し、その位置において、以下の比率
は、少なくとも近似的に自然数である。ここで、ａは、マイクロレンズアレイの個々のマイクロレンズの均一なアパーチャであり、λは、レーザ原ビームの平均波長であり、ｆＭＬ，ｉは、それぞれの調整位置ｉによって設定されるマイクロレンズアレイ全体の有効焦点距離ｆＭＬである。ここで、少なくとも近似的にとは、それぞれの場合において、比率が０．８Ｎｉから１．２Ｎｉの区間にあることを意味し、Ｎｉはそれぞれの自然数である。本実施形態は、冒頭に述べた特許文献１からの光学アセンブリが提供する柔軟な可能性を有利に利用する。特許文献１は、従って、本実施形態の実現可能性に関して、参照によって本明細書に組み込まれる。
【数2】
【0021】
更なる一実施形態においては、ビーム整形素子は、レーザ原ビームを光軸に対して横切る方向に拡張するビーム変換器を含む。いくつかの実施形態においては、ビーム変換器はパウエルレンズを含み得る。代替的又は補完的に、ビーム変換器は、対向する表面が鏡面加工されたガラス体を含むことができ、それによって、斜めに入射するレーザビームがガラス体内において複数回往復反射され、その際、一方向に拡張される。
【0022】
パウエルレンズは、回転対称なガウス強度分布から、ラインに沿ってほぼ均一な強度分布を有するライン状のビームプロファイルを生成できるレンズである。そのために、垂直に、ガウス強度分布が維持される。ビーム変換器は、更に、冒頭に述べた特許文献２に記載されているようなビーム変換器であってもよく、これは参照によって本明細書に組み込まれる。本実施形態のビーム整形素子は、画定されたラインに沿って多数の個別の照射スポットを可能にする。いくつかの実施形態においては、作業面上にライン状のビームプロファイルを照射ビームのビーム方向に対して傾斜して生成するために、そのラインは、光軸に対して直交ではなく傾斜して配置されてもよい。
【0023】
更なる一実施形態においては、ビーム整形素子は、回折光学素子（ＤＯＥ）を含む。
【0024】
回折光学素子は、光回折の原理に基づくビーム整形素子である。典型的には、回折光学素子は、回折パターンが配置されたガラス支持体を有する。回折パターンは干渉を引き起こす。回折光学素子の使用によって、所望の第２の角度スペクトルを非常に多様に、且つ高品質に生成することができる。更に、ビームエネルギの大部分が作業面の照射のために使用される。このため、回折光学素子は特に効率的な実現を可能にする。
【0025】
更なる一実施形態においては、ビーム整形素子は空間フィルタを含む。
【0026】
空間フィルタは、典型的にはレンズと絞りとを含み、その絞りは、光路においてそのレンズの下流側に配置される。絞りの使用によって、所望の第２の角度スペクトルを様々に生成することができる。そのレンズは、絞りが効率的に照射されるようにする。そのため、マイクロレンズアレイの上流側の空間フィルタは、非常に多様な、且つ低コストのビーム整形を可能にする。
【0027】
更なる一実施形態においては、ビーム整形素子は光軸に選択的に挿入可能である。
【0028】
本実施形態は、規定のレーザ照射の生成において特に大きな柔軟性を提供する。ビーム整形素子は、本実施形態においては調整機構と結合されており、その調整機構は、ビーム整形素子を光学アセンブリのビーム経路に選択的に完全に又は部分的に挿入する、又はそこから取り外すことを可能にする。それによって、照射ビームのプロファイルを選択的に、且つ目的にかなって変化させることができる。いくつかの実施形態においては、装置は、第２の角度スペクトルを生成するようにそれぞれ構成された複数のビーム整形素子を有し、その際、それらの第２の角度スペクトルは互いに異なる。これらの実施形態においては、複数のビーム整形素子のうちの１つを、光学アセンブリの光路に選択的に挿入することができる。例えば、本実施形態の（それぞれの）ビーム整形素子は、光学アセンブリのビーム経路に挿入されてもよい、及び／又は向きを変えられてもよい。
【0029】
上記の及び以下に説明する特徴は、それぞれ提示された組み合わせにおいて使用されるのみでなく、本発明の範囲を逸脱することなく、他の組み合わせ又は単独においても使用され得る、と解される。
【0030】
本発明の実施例を図面に示し、以下の説明において詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】新規な装置の最初の実施例を簡略化して概略的に示す図である。
【図2】新規な装置の更なる実施例を簡略化して概略的に示す図である。
【図3】新規な装置の更なる実施例を簡略化して概略的に示す図である。
【図4】いくつかの好ましい実施例による、多結晶シリコンの溶融の際のレーザ照射の有利な経路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0032】
図１において、新規な装置の一実施例の全体を、参照符号１０によって示す。装置１０は、レーザ原ビーム１４を生成するレーザ光源１２を備える。レーザ光源１２は、コリメータ（ここでは図示せず）を含んでもよく、そのため、レーザ原ビーム１４がコリメートされたレーザ原ビームであってもよい。
【0033】
レーザ原ビーム１４は、光軸２０に沿って配置された第１のレンズ１６と、それに続く第２のレンズ１８とを照射する。絞り２２が、本実施例においては、レンズ１６，１８の間に光軸２０に沿って配置されている。絞り２２は、レンズ１６，１８とともに空間フィルタ２４を形成する。レーザ原ビーム１４は第１の角度スペクトルを有し、その第１の角度スペクトルは、参照符号２６によって示され、ガウス分布の強度プロファイルとして示される。光軸２０に対して垂直な（仮想）平面２８において、第１の角度スペクトル２６を有するレーザ原ビーム１４は、本実施例においては、一例として、円形のフットプリント３０を生成する。
【0034】
空間フィルタ２４に基づいて、レーザビームは、レンズ１８の下流側において、変化された第２の角度スペクトル３２を有し、その第２の角度スペクトル３２は、本実施例においては、平面３４に、例示的なトップハット形状の強度プロファイルによって示される。いくつかの好ましい実施例においては、装置１０は、２ｆ構成を有することができる。これらの実施例においては、平面３４は、図１に簡略化のために示される位置とは異なる位置にあってもよい。変更された第２の角度スペクトル３２を有するレーザビームは、レンズ１８の下流側に第２のフットプリント３６を生成し、このフットプリント３６は、本実施例においては例示的に正方形に示されている。
【0035】
第２の角度スペクトル３２を有するレーザビームは、本実施例においては、少なくとも２つのマイクロレンズアレイ３８，４０を有するアセンブリを照射し、これらのマイクロレンズアレイは、規定の間隔４２を置いて互いに光軸２０に沿って配置されている。各マイクロレンズアレイ３８，４０は多数のマイクロレンズを有し、そのマイクロレンズは好ましくは同一のアパーチャａを有する。図示の実施例においては、光学アセンブリは、少なくとも２つのマイクロレンズアレイ３８，４０間の相対的な間隔４２を光軸２０に沿って変更するための調整機構４４を更に有する。好ましい実施例においては、その調整機構は、いくつかの予め規定された調整位置を有し、その調整位置によって間隔４２がそれぞれ設定され、その間隔４２において、以下の比率
は少なくとも近似的に自然数である。ここで、ａは、マイクロレンズアレイ３８，４０の個々のマイクロレンズの均一なアパーチャであり、λは、レーザ原ビーム１４の平均波長であり、ｆＭＬ，ｉは、それぞれの調整位置ｉによって設定されたマイクロレンズアレイ全体の有効焦点距離ｆＭＬである。本実施例において、少なくとも近似的にとは、その比率が、０．８Ｎｉ～１．２Ｎｉの区間にそれぞれあることを意味し、この場合、Ｎｉはそれぞれの自然数である。
【数3】
【0036】
間隔４２の変更によって、マイクロレンズアレイ３８，４０全体の有効焦点距離ｆＭＬが変化する。上記の比率に従って間隔を適切に設定することによって、作業面５０上の照射ビーム４８のマルチスポット・ビームプロファイル４７における照射スポット４６の数を設定することができる。その際、作業面５０は、本実施例においては、照射ビーム４８のビーム方向５２に対して垂直に配置される。しかしながら、ビーム方向５２に対して斜めに配置することも可能である。好ましくは、装置１０は、参照によって本実施例に組み込まれる特許文献１に開示されるアセンブリの１つ内のマイクロレンズアレイ３８，４０を使用する。本実施例において、照射スポット４６は、ビーム方向５２に対して横切る方向に延びるライン（本実施例においてはｘ軸として示される）に沿って並んで配置される。装置１０のいくつかの有利な応用においては、マルチスポット・ビームプロファイル４７を、図４を参照してさらに後述するように、作業面５０に対して、照射スポット４６のラインに対して横切る方向に、且つビーム方向５２に対して横切る方向に移動させることができる。
【0037】
図２は、新規な装置の更なる一実施例を示し、この装置を、本実施例においては参照符号１０’によって示す。その他においては、同一の参照符号は上記実施例と同一の要素を示す。装置１０は、光軸２０に対して横切る方向にレーザ原ビームを拡張するビーム変換器５４を備える。いくつかの実施例においては、そのビーム変換器はパウエルレンズを含み得る。代替的又は補完的に、ビーム変換器は、それぞれ鏡面とされた前面５６及び後面５８を有するガラス体を含んでもよく、それによって、レーザ原ビーム１４が、ガラス体内において、複数回、往復反射され、その際、光軸２０に対して横切る方向に拡張される。このようなビーム変換器は、冒頭に述べた特許文献２に記載されており、参照によって本実施例に組み込まれる。代替的又は補完的に、そのビーム変換器は、パウエルレンズを含み得る。いずれの場合においても、レーザ原ビーム１４は、本実施例においては、光軸２０に対して垂直な方向、この場合、観察面（Ｂｅｔｒａｃｈｔｕｎｇｓｅｂｅｎｅ）に対して垂直な方向に拡張され、これによって、作業面５０上のビームプロファイルは、観察面に対して垂直なライン状のパターンを有する。この場合、マイクロレンズアレイ３８，４０のマイクロレンズは、シリンドリカルレンズであり得る。代替的には、マイクロレンズアレイ３８，４０のマイクロレンズは、それぞれ、２次元レンズアレイの回転対称レンズであり得る。このような配置によって、２次元配置内に多数の照射スポットを有する照射ビームプロファイルを生成することが可能となる。
【0038】
参照符号６０は、本実施例においては、回折光学素子を示しており、その回折光学素子は、（拡張された）レーザ原ビーム１４のビーム経路に、すなわち光軸２０に沿った位置に、選択的に挿入可能である。参照符号６０’は、回折光学素子６０の代わりに、又は補完的に、ビーム経路に任意に挿入可能な代替の回折光学素子を示す。更に、回折光学素子６０，６０’は、調整機構６２，６２’に結合されている。
【0039】
図３は、新規な装置の更に好ましい一実施例を示し、その新規な装置は、本実施例においては参照符号１０’’によって示される。その他においては、同一の参照符号は上記実施例と同一の要素を示す。図３の上側部分は、本実施例においてはｘ軸として示される長軸方向のマルチスポット・ビームプロファイル４７のビーム整形を示している。図３の下側部分は、本実施例においてはｙ軸として示される短軸方向のビーム整形を示している。装置１０’’は、図１の実施例による空間フィルタ２４を備えている。空間フィルタ２４の代替として、又は補完として、装置１０’’は、レーザ原ビーム１４の角度スペクトルを変更するために、図２の実施例によるＤＯＥを備え得る。本実施例において、角度スペクトルが変更されたレーザ原ビームは、ビーム変換器５４に入射し、そのビーム変換器５４はレーザ原ビームを長軸方向に拡張する。ｘ軸方向に拡張されたレーザビームは、ビーム方向において互いに背中合わせに配置されたマイクロレンズアレイ３８，４０を照射し、これらのマイクロレンズアレイは、好ましくは、光軸に沿って可変に設定可能な間隔４２を置いて配置されている。更に、本実施例において、装置１０’’は、ビームプロファイルに主に長軸方向に影響を与える、遠視野結像（Ｆｅｒｎｆｅｌｄａｂｂｉｌｄｕｎｇ）用の第１のレンズ又はレンズ群６６と、並びに、ビームプロファイルに主に短軸方向に影響を与える第２のレンズ又はレンズ群６８と、を備える。
【0040】
ビーム整形素子２４は、第１のマイクロレンズアレイ３８を照射する角度スペクトルを変更する。マイクロレンズアレイ３８の上流側における角度スペクトルの減少によって、ｘ軸方向における照射スポット４６の幅を減少させることができる。ｙ軸方向の個々の照射スポット４６の長さは、中間像絞りによって、及び／又はビーム変換器５４を使用することによって調整することができる。ビーム方向においてマイクロレンズアレイ３８，４０の下流側に配置されたレンズ又はレンズ群６６，６８を用いた、結像、及び角度スペクトルの縮小／拡大によって、個々の照射スポット４６間の横方向の間隔をｘ軸に沿って広げることができる。更に、マイクロレンズアレイ３８，４０の上流側及び／又は下流側のレーザビームのアライメント（ポインティング）を介して、作業面上の全ての照射スポット４６の全体の位置を設定することもできる。
【0041】
図４は、支持板上のアモルファスシリコンをより高品質の多結晶シリコンに変える方法における装置１０，１０’又は１０’’の好ましい有利な利用を示す。好ましい利用は、冒頭に述べたＳＬＳ法に基づいている。しかしながら、Ｌｕｄｏｌｆ Ｈｅｒｂｓｔ，Ｆｒａｎｋ Ｓｉｍｏｎらによる提案による装置とは対照的に、パターン化されたレーザ照射は、本実施例においては、選択された間隔４２によって、作業面上においてマルチスポット・ビームプロファイル４７を可能にするマイクロレンズアレイ３８，４０を使用して達成される。図４によれば、照射スポット４６が長軸方向に離間したマルチスポット・ビームプロファイル４７は、作業面５０に対して矢印７０の方向に移動する。作業面５０内において、アモルファスシリコン７２を支持板上に有利に配置することができる。アモルファスシリコン７２は、照射スポット４６によって局所的に選択的に溶融され、冷却中に横方向、すなわち作業面５０に対して実質的に平行に結晶化することができる。それによって、移動方向７０においてマルチスポット・ビームプロファイル４７の後方に、多数の結晶化セル７６を有する多結晶シリコン７４が形成される。好ましくは、マルチスポット・ビームプロファイル４７は、図４に参照符号７８によって示すジグザグ経路に沿って移動方向７０にガイドされる。特に好ましい一実施例においては、ジグザグ経路７８に沿ったマルチスポット・ビームプロファイル４７の横方向の移動は、ｘ軸に沿って、或いはマルチスポット・ビームプロファイル４７の広がる方向に沿って、２つの隣接する照射スポット４６間の横方向の距離８０に対応する。他の実施例においては、マルチスポット・ビームプロファイル４７は、２つの隣接する照射スポット４６間の横方向の距離８０よりも大きい、又は小さい横方向移動部分を交互に伴って、移動方向７０に移動することができる。
【0042】
従って、要約すると、新規な装置の実施例は、空間フィルタ２４又は回折光学素子６０などのビーム整形素子を含む光学アセンブリ６４を備え、そのビーム整形素子は、少なくとも２つのマイクロレンズアレイ３８，４０を有するアセンブリの上流側においてレーザ原ビーム１４の光路に配置されている。上記のビーム整形素子に代替的又は補完的に、少なくとも２つのマイクロレンズアレイ３８，４０を有するアセンブリの上流側のビーム整形素子は、アキシコン又は自由曲面レンズを含み得る。マイクロレンズアレイ３８，４０の下流側には、他の光学素子、特に１つ以上のフーリエレンズ（ここでは図示せず）、並びに図３に示すレンズ／レンズ群６６，６８が続き得る。ビーム整形素子は、少なくとも２つのマイクロレンズアレイ３８，４０を有するアセンブリが、変更された角度スペクトル３２によって照射されるように、レーザ原ビーム１４の角度スペクトル２６を変更する。少なくとも２つのマイクロレンズアレイ３８，４０は、間隔４２をおいて光軸２０に沿って配置されており、その間隔４２は、作業面５０上にビーム方向５２に対して横切る方向に多数の個別の照射スポット４６を生成するように選択されている。各照射スポット４６は、その際、変更された角度スペクトル３２を有する。
【符号の説明】
【0043】
１０ 装置
１２ レーザ光源
１４ レーザ原ビーム
２０ 光軸
２４ 空間フィルタ（ビーム整形素子）
２６ 第１の角度スペクトル
２８ 光軸に垂直な平面
３０ 第１のフットプリント
３２ 第２の角度スペクトル
３４ 光軸に垂直な更なる平面
３６ 第２のフットプリント
３８ マイクロレンズアレイ
４０ マイクロレンズアレイ
４２ 間隔
４４ 調整機構
４６ 照射スポット
４７ マルチスポット・ビームプロファイル（照射ビームプロファイル）
４８ 照射ビーム
５０ 作業面
５２ ビーム方向
５４ ビーム変換器
６０ 回折光学素子（ビーム整形素子）
６４ 光学アセンブリ
７８ ジグザグ経路
１２ レーザ光源
１４ レーザ原ビーム
２０ 光軸
２４ 空間フィルタ（ビーム整形素子）
２６ 第１の角度スペクトル
２８ 光軸に垂直な平面
３０ 第１のフットプリント
３２ 第２の角度スペクトル
３４ 光軸に垂直な更なる平面
３６ 第２のフットプリント
３８ マイクロレンズアレイ
４０ マイクロレンズアレイ
４２ 間隔
４４ 調整機構
４６ 照射スポット
４７ マルチスポット・ビームプロファイル（照射ビームプロファイル）
４８ 照射ビーム
５０ 作業面
５２ ビーム方向
５４ ビーム変換器
６０ 回折光学素子（ビーム整形素子）
６４ 光学アセンブリ
７８ ジグザグ経路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【手続補正書】
【提出日】2023-11-24
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
作業面（５０）上に規定のレーザ照射を生成するための装置であって、第１の角度スペクトル（２６）を有するレーザ原ビーム（１４）を生成するように構成されたレーザ光源（１２）と、
前記レーザ原ビーム（１４）を受光し、光軸（２０）に沿って照射ビーム（４８）に変形する光学アセンブリ（６４）と、を備え、
前記照射ビーム（４８）は、前記作業面（５０）と交差するビーム方向（５２）を規定しており、
前記光学アセンブリ（６４）は、規定の間隔（４２）を置いて互いに前記光軸（２０）に沿って配置された、少なくとも２つのマイクロレンズアレイ（３８，４０）を有しており、
前記規定の間隔（４２）は、前記照射ビーム（４８）が、多数の個別の照射スポット（４６）を含む照射ビームプロファイル（４７）を、前記作業面（５０）の領域において有するように、選択されている、装置において、
前記光学アセンブリ（６４）は、前記少なくとも２つのマイクロレンズアレイ（３８，４０）の上流側に前記光軸（２０）に沿って配置されたビーム整形素子（２４；６０）を更に有しており、
前記ビーム整形素子（２４；６０）は、前記第１の角度スペクトル（２６）とは異なる第２の角度スペクトル（３２）を生成することを特徴とする、装置。
【請求項2】
前記第２の角度スペクトル（３２）は、トップハット形状の強度プロファイルを有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記第１の角度スペクトル（２６）は、前記光軸（２０）に対して垂直な平面（２８）内に第１のフットプリント（３０）を有し、前記第２の角度スペクトル（３２）は、前記光軸（２０）に垂直な更なる平面（３４）内に、前記第１のフットプリント（３０）とは異なる第２のフットプリント（３６）を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項4】
前記第２のフットプリント（３６）は多角形であることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項5】
前記光学アセンブリ（６４）は、前記少なくとも２つのマイクロレンズアレイ（３８，４０）のうちの少なくとも１つのマイクロレンズアレイ（４０）を前記光軸（２０）に沿って調整可能である調整機構（４４）を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項6】
前記ビーム整形素子は、前記レーザ原ビーム（１４）を前記光軸（２０）に対して垂直に拡張するビーム変換器（５４）を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項7】
前記ビーム整形素子は、回折光学素子（６０）を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項8】
前記ビーム整形素子は、空間フィルタ（２４）を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項9】
前記ビーム整形素子（２４；６０）は、前記光軸に選択的に挿入可能であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項10】
第１の角度スペクトル（２６）を有するレーザ原ビーム（１４）を生成するレーザ光源（１２）を用いて、作業面（５０）上に規定のレーザ照射を生成するための方法であって、前記レーザ原ビーム（１４）を、光学アセンブリ（６４）によって、光軸（２０）に沿って照射ビーム（４８）に変形し、
前記照射ビーム（４８）は、前記作業面（５０）と交差するビーム方向（５２）を規定し、
前記光学アセンブリ（６４）は、少なくとも２つのマイクロレンズアレイ（３８，４０）を有し、これらのマイクロレンズアレイ（３８，４０）を、互いに前記光軸（２０）に沿って規定の間隔（４２）を置いて配置し、
前記規定の間隔（４２）を、前記照射ビーム（４８）が、多数の個別の照射スポット（４６）を含む照射ビームプロファイル（４７）を前記作業面（５０）の領域において有するように、選択する、方法において、
前記光学アセンブリ（６４）は、ビーム整形素子（２４；６０）を更に有し、そのビーム整形素子を、前記少なくとも２つのマイクロレンズアレイ（３８，４０）の上流側に前記光軸（２０）に沿って配置し、
前記ビーム整形素子（２４；６０）によって、前記第１の角度スペクトル（２６）とは異なる第２の角度スペクトル（３２）を生成することを特徴とする、方法。
【請求項11】
前記照射ビームプロファイル（４７）を、前記作業面（５０）に対してジグザグ経路（７８）に沿って移動させることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【国際調査報告】