用于使光辐射强度均匀化的光学系统的制作方法

本发明涉及一种用于使光辐射强度均匀化的光学系统。这样的用于产生具有均匀的强度曲线的光辐射的光学系统用于加工半导体材料，尤其是用于制造晶体半导体层。

背景技术：

对于薄膜层的结晶例如对于薄膜晶体管(tft)的制造通常采用激光。作为待加工的半导体尤其采用硅(si)，确切地说是非晶硅(a-si)。半导体层的厚度例如为50nm，其通常位于基底(如玻璃基底)上或其他载体上。

对于层，用激光器的光，例如脉冲固态激光器的激光进行照射。在此光的波长例如为343nm，成形为照明线并成像在半导体材料的成像平面上。照明线具有短(窄)轴和均匀的长光束轴。短轴或窄轴具有高斯形的或平坦的强度分布。

照明线通常以约5-50mm/s的进给速度在短轴方向上在半导体层上移动。光束的功率密度(在连续波激光器的情况下)或脉冲能量密度(在脉冲激光器的情况下)这样设置，使得例如在非晶硅的情况下使其部分熔化，随后使熔化的硅在玻璃基底上基于未熔化的固态硅固化成多晶结构。通常熔化和固化在10-100ns的时间范围内进行，随后将薄膜冷却到室温通常需要几百微秒。

在对非晶硅层进行照射并将其转化为多晶硅层时，照明线的均匀强度非常重要，即沿短轴和/或长轴积分的、空间强度分布的均匀性。照明线的强度分布越均匀，薄膜层的晶体结构(如多晶层的晶粒尺寸)也就越均匀，由薄膜层构成的终端产品(如薄膜晶体管)的电特性也就越好。例如，均匀的晶体结构由于电子和正电荷空穴的高迁移性而具有高导电性。因此对于照明线的均匀性有着很高的要求。

当照明线在短轴方向上在半导体层上移动时，非均匀性尤其是可能沿长光束轴以及垂直于该长光束轴沿短光束轴出现。该非均匀性被称为“mura”。所谓的“扫描mura”的起源是沿光束轴的非均匀性并且是沿扫描方向或进给方向延伸的条状非均匀性。垂直于此的是所谓的“发射mura”，其发生的原因是在进给期间脉冲间的强度的波动。

为了在结晶过程中产生规则的多晶晶粒结构，已知利用表面干涉效应，其使得在曝光期间产生调制的强度分布，并通过在进给期间多次曝光来强化大小约为光的波长的晶粒结构。这种效应称为“激光诱导的周期性模式结构(lipps)”。在波长例如为343nm的情况下，获得的晶粒结构约为0.3至0.4μm。

此外，研究还表明，照明线在短轴方向上的平坦的强度分布对于均匀的结晶效果来说也是有利的。

在此，在短轴方向上平坦的强度分布的确切延伸是决定性的。如果平坦的轮廓的边缘平坦地下降，则在中间平坦区域中相比于平坦的轮廓的边缘陡峭地下降的情况可用的能量较少。由此，在强度分布具有较平坦的边缘的情况下，在中间平坦区域中难以获得足够的强度以产生高质量的均匀结晶的半导体材料层。此外，陡峭的边缘还使得能够具有足够的景深，从而在超过100微米至超过数百微米的范围内边缘陡峭性仅略有改变。

因此期望照明线沿短轴也具有均匀的分布，其宽度通常为30μm至100μm，并且具有尽可能陡峭的边缘。例如，在第一强度和第二强度之间的宽度为10μm，其中，第一强度相当于10％的最大强度，第二强度相当于90％的最大强度。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于提出一种改进的、用于使光辐射的强度沿一个方向、特别是沿照明线的短轴均匀化的光学系统。该改进的光学系统尤其是用于加工半导体材料，特别是用于制造均匀结晶的半导体层。

本发明涉及一种用于使光辐射的强度均匀化的光学系统，用于加工半导体材料层、尤其是用于产生晶体半导体层。该光学系统具有光学辐射转换装置，所述光学辐射转换装置具有包含第一辐射转换元件的第一装置，设置用于将入射光束沿长轴在几何上分为分光束，在此，入射光束的光束轮廓具有在x方向上的短轴和在y方向上的长轴，x方向和y方向分别垂直于该光束的传播方向，在此，分光束的传播方向不同于入射光束的传播方向。该光学辐射转换装置还具有包含第二辐射转换元件的第二装置，其设置在分光束的光路中并用于使已偏转的分光束再次偏转，其中，再次偏转的分光束在x方向上关于该再次偏转的分光束的传播方向的光束轮廓相应于入射光束的光束轮廓在y方向上关于入射光束的传播方向的光束轮廓分段。该光学系统还包括光束整形装置，其在分光束的光路中设置在光学辐射转换装置之后，设置用于使分光束关于y方向在空间上作为位于照射平面中的照明线来叠加；以及光学成像装置，其在分光束的光路中设置在光学辐射转换装置之后，设置用于使第一辐射转换元件关于x方向在位于照射平面中的成像平面中光学成像。

因此，借助光学辐射转换装置可以将入射光束分为分光束并进行偏转。入射光束的光束轮廓具有垂直于传播方向的短轴和长轴。在此，入射光束的传播方向应定义z轴的方向，在此短轴取向x轴的方向，长轴取向y轴的方向。分光束具有与入射光束不同的传播方向，其中，z轴方向应始终通过相应光束或分光束的传播方向来定义。因此，z轴方向，即z方向，在空间中随光束或分光束在光学系统中的传播而变化。光束或分光束的x方向和y方向始终在所涉及的光束或分光束的传播方向的方向上定义，即x方向和y方向总是相对于z方向相同地定义。

光束可以是由激光器发射的激光束。光辐射例如可以是由uv固态激光器发射的、波长为343nm的激光辐射。

入射光束的光束轮廓具有长轴和与长轴相比较短的轴，光束轮廓例如可以借助柱面光学器件如柱面透镜望远镜扩宽光束、特别是激光束而仅在一个方向上具有圆形的光束轮廓。

通过使分光束在空间中偏转，特别是通过使分光束在空间中旋转，还可以使光束轮廓在空间中重新定向。由此，在重定向后，即在经过辐射转换装置之后，分光束沿短轴的光束轮廓相应于入射光束沿长轴的光束轮廓的分段。光束轮廓的分段通过在第一辐射转换元件处对光束的划分来确定。在此，在第一辐射转换元件的侧向边缘处强度急剧下降。在重定向后该“尖锐的”强度边缘沿第二辐射转换元件的上、下边缘设置在一分光束的短轴方向上。如以下还将描述的，在一种实施方式中，可以通过对被照射的第一辐射转换元件的侧向边缘的成像来将该“尖锐的”强度边缘传送到成像平面中。特别是，将被照射的第一辐射转换元件作为用于对第一辐射转换元件的侧向边缘进行柱面成像的对象。

从光学辐射转换装置发出的分光束然后穿行过光束整形装置，借助光束整形装置将分光束沿长轴在空间中进行叠加。可以这样选择在照射平面中的照射场上的空间叠加，使得形成照明线的长轴。由此以已知的方式得到沿长轴的平坦的、均匀的强度曲线。光束整形装置可以构成为变形光学器件或者是变形光学器件的一部分。光束整形装置例如可以具有透镜阵列均化器，其基于以下原理：将一个或多个入射光束或分光束分解为多个分光束或多个进一步的分光束，然后将它们在空间中进行叠加。由此得到沿y轴的最大可能均匀的强度曲线。

通过在y方向上的叠加也得到在x方向上、即短轴方向上的叠加。特别是这样对分光束进行叠加：使分光束的“尖锐的”强度边缘相重合。由此在短轴方向上也得到具有陡峭下降的侧向边缘的更平坦、最大程度上更均匀的强度曲线。

现在，这样设计光学成像装置并将其设置在光学系统的光路中，使第一辐射转换元件光学成像于位于照射平面中的成像平面中。具体地说，这样设计光学成像装置并将其在空间上设置在光学系统的光路中，尤其是关于第一辐射转换元件和照射平面中所期望的位置，使被照射的第一辐射转换元件作为在照射平面中形成的成像平面中光学成像的图像中的对象。在此，照射平面应是由通过光学系统形成的照明线进行照射并进行加工的半导体材料层所位于的平面。理想情况下，照射平面由待加工的半导体材料的表面构成。

第一辐射转换元件可以在z方向上彼此间以一定距离设置。在此，它们在z方向上彼此间仅有很小的距离，由此使对应于各个第一辐射转换元件的图像位置彼此间仅有很小的间距，例如彼此间距离小于5μm。特别是这样选择光学成像装置的焦距、其与第一辐射转换装置的距离以及与待加工的半导体材料层的距离，使被照射的反射元件作为对象由光学成像装置在一个或多个成像平面中传输到半导体材料层上或半导体材料层的表面附近的区域中并在那里成像为图像。

根据一种实施方式，光学成像装置构造成，对入射的分光束仅在x方向上成像。因此，光学成像装置仅在x方向上起作用，而不在y方向上起作用，在此，x方向也涉及再次偏转的分光束的传播方向并给出分光束或叠加到光束上的分光束的短轴方向。因此，在缩小的情况下，仅使光在x方向上成束，而不是在y方向上。对叠加的分光束尤其是可以在照明线上成像。由于光学成像装置在x方向上起作用，在经过第二辐射转换元件后将分光束的光束轮廓的强度曲线的“尖锐的”上边缘和下边缘传输到成像平面中并在那里成像，特别是缩小成像，这导致沿x方向的具有更高强度的窄照明线。

根据本发明，光学成像装置尤其是设置用于，使第一装置位于与成像平面共轭的、光学成像装置的物平面中。因此，第一辐射转换元件被作为对象在成像平面中光学成像。在此，如果光学成像装置具有焦距f，则对于像距b，公式b＝f*a/(a-f)成立，其中，像距b是光学成像装置的像侧主平面和成像平面间的距离，物距(objektweite)a是第一装置与光学成像装置的物侧主平面之间的距离。第一装置的第一辐射转换元件可以彼此错开地设置，使得它们可以位于光学成像装置的与多个成像平面共轭的不同的物平面中。

根据一种变形，可以将光学成像装置设置成，使第一辐射转换元件以缩小的方式被光学成像。由此，提高了沿短轴的强度，从而可以成像具有高强度的窄照明线，同时还可使辐射转换元件具有足够的大小并由此具有很好的可操作性(handbarkeit)。

根据另一实施方式，可以将光学成像装置设置成，使第一辐射转换元件分别具有两个侧向的分离的边缘，在这些边缘上，光束被几何地划分为分光束，其中，对相应的两个侧向的分离的边缘在成像平面中成像，或分别在一个成像平面中成像。通过使分光束在空间中偏转，特别是通过使分光束在空间中旋转，还可以使光束轮廓在空间中重新定向。由此，在重定向后，即在经过第二辐射转换装置之后，分光束沿短轴的光束轮廓相应于入射光束沿长轴的光束轮廓的分段。光束轮廓的分段通过在第一辐射转换元件处对光束的划分来确定。在此，在第一辐射转换元件的侧向边缘处强度急剧下降。在重定向后该“尖锐的”强度边缘沿第二辐射转换元件的上、下边缘设置在分光束的短轴方向上。可以通过对被照射的第一辐射转换元件的侧向边缘的成像来将该“尖锐的”强度边缘传送到成像平面中。由此，被照射的第一辐射转换元件作为用于对第一辐射转换元件的侧向边缘进行柱面成像的对象。

照射平面由待加工的半导体材料层的表面形成和/或位于待加工的半导体材料层的表面附近的区域中。第一辐射转换元件可以彼此错开地设置，从而可以根据它们之间的距离将它们在不同的成像平面中成像。在此，将光学成像装置设置成，例如与第一辐射转换元件有较大的距离，使得不同成像平面间的距离较小，例如小于5μm。在此，不同的成像平面可以通过光束在通过光束整形装置时与光轴的不同距离给出。

光学成像装置可以具有柱面透镜望远镜装置，该柱面透镜望远镜装置设置在光学系统的光路中，特别是在光学辐射转换装置和光束整形装置之间，该柱面透镜望远镜装置设置用于改变分光束在x轴方向上的光束截面。借助该柱面透镜望远镜装置可以改变或调节光学系统的成像比例。

在一种实施方式中，可以将柱面透镜望远镜装置设置成用于缩小分光束在x方向上的光束截面，即在柱面透镜望远镜装置之前的在x方向上的光束截面大于在柱面透镜望远镜装置之后的在x方向上的光束截面。在该实施方式中，柱面透镜望远镜装置起缩小作用。

根据另一变形，光学成像装置具有在光路中设置在光束整形装置之后的柱面物镜装置(zylinderlinsenobjektivanordnung)，用于在x方向上成像。特别是，柱面物镜装置将第一辐射转换装置作为对象在成像平面中成像，尤其是缩小成像。在柱面透镜望远镜装置为缩小的柱面透镜望远镜装置的实施方式中，通过柱面物镜装置的缩小可以通过缩小的柱面透镜望远镜将相应于该柱面透镜望远镜的缩小的系数加大。

柱面物镜装置和柱面透镜望远镜装置尤其可以具有焦距f，通过该柱面物镜装置和柱面透镜望远镜装置成像的像距b满足公式

b＝f*a/(a-f)

其中，像距b是柱面物镜装置和柱面透镜望远镜装置的像侧主平面和成像平面间的距离，物距a是第一装置与柱面物镜装置和柱面透镜望远镜装置的物侧主平面之间的距离。上述关系由映射方程导出。因此，焦距f是由包括柱面物镜装置和柱面透镜望远镜装置的光学成像装置的总焦距，而主平面是整个光学成像装置的主平面，光学成像装置由柱面物镜装置和柱面透镜望远镜装置构成。

如果将柱面透镜望远镜装置用作准直柱面透镜望远镜装置，即当将柱面透镜望远镜装置设置为无限远-无限远，以及入射分光束的光路相平行并且发出的分光束轻微发散时，则上述公式中的焦距相应于柱面物镜装置的焦距，像距b为柱面物镜装置的像侧主平面与成像平面间的距离，物距a为第一装置和柱面物镜装置的物侧主平面间的距离。

根据又一变形，第二辐射转换元件分别相对于空间位置和相对于入射分光束的传播方向的倾角是可调节的。通过可以精细调整的可能性可以实现，将分光束的强度曲线在x方向上进行叠加，使得分光束的光束轮廓的强度曲线的尖锐边缘相重合，从而得到平坦的组合的强度曲线。

在一种可能的设置中,可以将第一辐射转换元件设置成，使分光束的传播方向相对于入射光束的传播方向偏转90°，和/或将第二辐射转换元件构造和设置成，使再次偏转的分光束的传播方向相对于分光束的传播方向偏转90°。在这样的设置中，例如再次偏转的分光束的传播方向可以相应于入射光束的y方向，即入射光束的长轴方向。

在一实施方式中，第一装置和/或第二装置分别包括两个或更多反射元件。在该实施方式中，辐射转换元件构成或包括反射元件。这样，传播方向的改变可以通过在反射元件上对光的反射来实现。在另一实施方式中，辐射转换元件可构成或包括折射元件，其中，传播方向可通过在折射元件的界面处的光折射来改变。

第一装置可以包括具有彼此错开设置的第一反射元件的第一阶梯镜装置，第二装置可以包括具有彼此错开设置的第二反射元件的第二阶梯镜装置。

在一些光学装置中，如用于对薄半导体层(如薄a-si层)进行退火的装置，需要多个光束，特别是激光束，以在长线上提供足够的脉冲能量。该光学系统尤其是可以具有至少一个光源，用于提供多个光束；多个光学辐射转换装置，它们分别具有包括多个第一辐射转换元件的第一装置，其中，第一光学装置分别设置用于，将多个入射光束中的一个入射光束沿长轴在几何上划分为分光束，其中，这些入射光束的光束轮廓分别具有在x方向上的短轴和在y方向上的长轴，在此x方向和y方向分别垂直于相应入射光束的传播方向，以及，分光束的传播方向不同于相应入射光束的传播方向。此外，多个光学辐射转换装置还分别具有包括第二辐射转换元件的第二装置，其中，这些第二装置分别设置在由入射光束分出的分光束的光路中，设置用于，使已偏转的分光束再次偏转，其中，再次偏转的分光束在x方向上关于该再次偏转的分光束的传播方向的光束轮廓相应于相应入射光束在y方向上关于该相应入射光束的传播方向的光束轮廓分段。此外该光学系统还可以包括在由多个入射光束划分出的分光束的光路中设置在多个光学辐射转换装置之后的光束整形装置，用于使由多个入射光束划分出的分光束关于y方向在空间上作为位于照射平面中的照明线来叠加；以及在由多个入射光束划分出的分光束的光路中设置在多个光学辐射转换装置之后的光学成像装置，其设置用于，对多个第一装置的第一辐射转换元件在位于照射平面中的成像平面中进行光学成像。因此，在该装置中，对每个光束都提供一个光学辐射转换装置。对于每个光学辐射转换装置，以上仅针对具有一个光学辐射转换装置的装置所讨论的都是适用的。这样，在该系统中如之前已讨论过的系统一样，仅设有一个光束整形装置和一个光学成像装置，因此之前的讨论也适用于此。

附图说明

以下借助附图对本发明进行进一步描述，其中

图1示出半导体材料层的示意图，对该半导体材料层以关于该半导体材料层在进给方向上运动的照明线进行照射，以对该半导体材料层进行加工；

图2a至图2c示出成像的照明线的线几何图形；

图3a和图3b示出用于均匀化光辐射强度的光学系统的示意图，借助该系统可以形成在短轴和长轴上都具有均匀强度的照明线并成像于半导体材料上；

图4以示意图示出作为两个阶梯镜装置的装置的光学辐射转换装置的实施方式；

图5a示出入射光束在入射光束长轴方向上的高斯强度分布示意图，其中入射光束的高斯强度分布在第一辐射转换元件处被分为单独的强度段；

图5b-1至5b-4示出在穿行过光学成像装置但未经光束整形装置叠加后各个对应于第一辐射转换元件的强度段；

图5c示出通过叠加强度分布段得到的组合强度曲线；以及

图6示出在光学系统实施方式的示意图，其中通过调整柱面透镜望远镜装置和/或通过设置一个或多个光束绕行路径来实现图像位置补偿。

具体实施方式

图1示意性示出，如何用激光束照射半导体材料以产生均匀结晶的层。在载体10、例如玻璃基板上涂覆待加工的半导体材料的层12。在此所示出的例子中，待加工的半导体材料是非晶硅。半导体材料层12的厚度通常为约50nm。

使线形的激光束14成像于半导体材料上并相对于半导体材料在进给方向x上运动，从而使激光线14扫过半导体材料层12的至少一个子区域并对其进行照射。在此所示出的例子中，载体10和半导体材料层12在空间中并因此相对于位置固定的激光束14移动。激光线14可以相对于半导体材料层12这样运动：使整个半导体材料层12被激光线14照射。典型的是，激光线14这样相对于半导体材料层12运动：使特定区域多次被激光线14照射。通常进给速度在5mm/s至50mm/s范围内。

在此示出的实施例中，激光束14的扩展方向垂直于半导体材料层12的表面，即在此激光束14垂直于半导体材料层12的表面入射，入射角为0°。

图2a至图2c示出激光束14的可能的线几何图形。在图2a至图2c中分别示出了根据特定方向的强度。

在此，图2a示出在长轴方向上激光线的强度,也就是沿着短轴(沿x轴)积分的强度分布16，在此，对这样积分出的强度分布16沿着长轴(沿y轴)示出。按照惯例，图中的短轴平行于x轴，而长轴平行于y轴。如图中所示，分布16接近于矩形，即沿长轴形成理想的均匀化。照明线在y方向上的长度典型地位于100mm和1000mm之间，如100mm、250mm、750mm或者1000mm，或者超过1000mm。

在图2b和图2c中分别示出了激光线在短轴方向上的强度，即沿长轴(即沿y轴)积分的强度分布18、20，在此示出沿短轴(即沿x轴)这样积分出的强度分布。图2b中，强度具有高斯曲线18。替代地，强度也可以如图2c所示，具有平坦的曲线20(“平顶”)，即近似矩形的曲线。

强度在x方向上的宽度典型地在30μm至100μm之间。在此，将半值宽度(半最大值时的全宽度，fwhm)设为图2b中的高斯曲线18的宽度，而对于图2c中的平坦曲线20，其宽度为曲线强度相当于最大强度的90％时的宽度(fw90％，在90％最大值时的全宽度)。

平坦曲线20使待加工的半导体材料层12均匀地结晶。在此，除了均匀的强度曲线平坦地、平均地延伸是重要的外，侧向边缘也尽可能陡峭地延伸。图2c示出了边缘的相对陡峭的延伸。所示出的边缘在第一强度i1和第二强度i2之间分别具有约10μm的宽度，其中，第一强度i1相当于10％的最大强度，第二强度i2相当于90％的最大强度。

如果照明线14在待加工的半导体材料层12(如a-si)上方被引导，则其会使半导体材料层12短时熔化并以改善的电特性固化为结晶层。

图3a和图3b示出用于加工半导体材料层的设备的光学系统30的示意图，在x方向和y方向上(即沿照明线14的短轴和长轴)都具有平坦轮廓的照明线14借助该系统成形并成像于半导体材料层12上。

光学系统30包括光学辐射转换装置32，其设置用于，将入射光束分为分光束并使其偏转，使分光束的光束轮廓相对于分光束的传播方向具有与入射光束的光束轮廓相对于入射光束的传播方向的取向不同的取向；在光束的光路中设置在光学辐射转换装置32之后的光束整形装置34，其设置用于，使光束成形，使得光束的光束轮廓具有长轴和短轴；以及在光束的光路中设置在光学辐射转换装置32之后的成像装置36，其设置用于将光成像为照明线14。

光辐射例如可以是由uv固态激光器发射的波长为343nm的激光辐射。但是原则上也可以使用其他光源，特别是如其他固态激光源的其他激光源，如在绿色光谱范围内发射的固态激光器。

在此，在图3a和图3b中，如在图1和图2中已经描述的，短轴平行于x轴，长轴平行于y轴。z方向或z轴应表示光束或分光束的传播方向，如在以下将描述的。x轴和y轴分别垂直于z轴。由于光束偏转并由此使传播方向在空间中改变，如以下同样将详细描述的，x方向、y方向和z方向在空间中的取向也将随着光束在光学系统中的扩散而改变。

图3a示出光学系统30在x方向上、即沿变形后的激光束和照明线的短轴的成像特性，图3b示出光学系统30在y方向上、即沿变形后的光束和照明线的长轴的成像特性。

在此示出的例子中，光学辐射转换装置32是阶梯镜装置。光学辐射转换装置32尤其是包括第一装置32a和第二装置32b，在此它们分别为第一阶梯镜装置32a和第二阶梯镜装置32b。

现在，借助图4对第一阶梯镜装置32a和第二阶梯镜装置32b做进一步描述。具有椭圆形光束轮廓的光束38，在此为激光束，照射到第一阶梯镜装置32a上。在此示出的例子中，光束是由激光器发射的、具有圆形光束轮廓的光束，该光束通过在光路中设置在光学辐射转换装置32之前的柱面光学器件在y轴方向上扩展，而在x方向上光束轮廓未改变，从而使得现在被扩宽的光束38具有椭圆形的光束轮廓，其具有x轴方向上的短轴和y轴方向上的长轴。该柱面光学器件例如可以是柱面透镜望远镜。

第一阶梯镜装置32a具有四个作为第一辐射转换元件的阶梯镜元件40。在此。这四个阶梯镜元件40构成第一反射元件。四个阶梯镜元件40沿x方向设置，使反射面具有在x方向上的延伸，并且它们在光束38的传播方向上彼此错开地设置，即彼此间以一定的距离设置。两个相邻的阶梯镜元件40在z方向上的距离通常为50mm或更小。此外，这些阶梯镜元件40中的每一个都相对于传播方向、即z方向倾斜，特别是每个阶梯镜元件都以相对于传播方向45°的倾斜角设置。由此，使入射光束38的照射到图4左边的阶梯镜元件40上的部分偏转90°并由此与光束的其余部分分离。光束的其余部分继续在z方向上传播，直至到达下一个阶梯镜元件40，在图4中为左边第二个阶梯镜元件40。光束的其余部分中到达该阶梯镜元件40的部分继续偏转90°并由此而与剩余的光束分离。入射光束38被以这种方式分为四个分光束42，它们的传播方向分别与入射光束38的传播方向偏差90°。图4中，入射光束在水平扩散并通过第一阶梯镜元件偏转90°，相对于图4向上偏转。在此，在此所示出的例子中，第一阶梯镜装置32a在y方向上的宽度基本上为入射光束38的光束轮廓在y方向上、即在长轴方向上的宽度。通常第一阶梯镜装置在y方向上的宽度至少为入射光束的光束轮廓在y方向上、即在长轴方向上的宽度。因此，第一阶梯镜装置32a尤其是作用为光束分离器。

第二阶梯镜装置32b同样具有四个作为第二辐射转换元件的阶梯镜元件44。在此，这四个第二阶梯镜元件44构成第二反射元件，其中，四个第二阶梯镜元件44中的每一个都与第一阶梯镜装置32a的一个阶梯镜元件40相对应。四个第二阶梯镜元件44沿z方向(相对于入射光束38的坐标)设置，从而使反射面具有在z方向上的延伸，并且它们在y方向上(相对于入射光束38的坐标)彼此错开地设置，即彼此间以一定的距离设置。第二阶梯镜元件44相对于第一阶梯镜元件40旋转90°设置。四个第二阶梯镜元件44相对于四个第一阶梯镜元件40在x方向上分别移动相同的距离设置，即相对于图4向上移动地设置。由此，四个相对于图4向上传播的分光束42中的每一个分别触及到四个第二阶梯镜元件44中的一个，四个第二阶梯镜元件44相对于触及到它们的、偏转的分光束42的传播方向倾斜地设置。在此，分光束分别被反射和偏转。特别是每个第二阶梯镜元件44都以相对于分光束42的传播方向45°的倾斜角设置。由此，使每个入射分光束42再次偏转90°，从而使偏转的分光束现在在y方向上相对于入射光束38的坐标传播。

在此示出的例子中，分别示出了四个第一阶梯镜元件40和四个第二阶梯镜元件44。根据本发明，每个阶梯镜装置32a和32b分别设有两个或更多阶梯镜元件(辐射转换元件)，即例如也可以是3个、5个、6个或7个阶梯镜元件。在此，光学辐射转换装置32的第一和第二装置32a和32b通常具有相同数量的辐射转换元件。此外，第一和第二装置32a和32b的辐射转换元件通常还具有相同的尺寸。

此外，从图4还可看到，在第一阶梯镜元件40反射之后由于各元件40在z方向上的位移而造成的分光束42之间的路径差，基本上可以通过第二阶梯镜元件44在y方向上(相对于入射光束38的坐标)的位移以及由此造成的路径差来补偿。

图4还示意性示出分光束46的光束轮廓48在第二阶梯镜元件44上经过第二反射之后与入射光束38的光束轮廓50的比较。特别是相应于入射光束38在第一阶梯镜元件40上的划分分段示出了入射光束38的光束轮廓50的划分。

如从图4可看到的，通过将入射光束38划分为偏转90°的分光束42以及随后使分光束42再次偏转90°，使分光束46的光束轮廓48相对于分光束46的传播方向重定向。由此使入射光束38的光束轮廓50的最初的长轴现在位于由分光束46构成的光束的短轴的方向上，而入射光束38的光束轮廓50的最初的短轴现在位于由分光束46构成的光束的长轴的方向上。参考图4，现在对应于各阶梯镜元件40的光束轮廓分段50的侧向尖锐边缘52分别设置在旋转后的光束轮廓分段48的垂直方向上，即沿x轴，也就是分光束46的短轴方向。分光束46的稍后叠加使得尖锐边缘52重合，通过成像装置36将尖锐边缘52成像于成像平面61上产生具有平坦且均匀的强度分布、具有沿短轴的陡峭的边缘的照明线14，如以下还将详细描述的。

由此，以上所述的光学辐射转换装置32产生由多个分光束46构成的光束，其具有相对于输入光束38改变了的光束轮廓48。

现在，分光束46在图3a和图3b所示的光学系统中传播。以下将称为传播的光束。这意味着从光学辐射转换装置32发出的分光束46形成光束。分光束46可以在长轴方向上以一定距离从光学辐射转换装置32发出，但是它们也可以在长轴方向上成束地(bündig)或彼此间仅以很小的距离从光学辐射转换装置32发出。该距离取决于第一阶梯镜元件40在z方向上的距离的大小。

由从光学辐射转换装置32发出的分光束46组成的光束在光学系统30的光路中照射到柱面透镜望远镜装置54上。柱面透镜望远镜装置54是成像装置36的一部分。柱面透镜望远镜装置54在光束轮廓的长轴方向上对光束不起作用，如图3b所示。在短轴方向上柱面透镜望远镜装置54的作用是使入射光束的直径改变，如图3a所示。在此所示出的例子中，柱面透镜望远镜装置54是缩小的柱面透镜望远镜装置54。由于缩小量(v)是由在柱面透镜望远镜装置54输入处在短轴方向上的光束直径(d输入)与在柱面透镜望远镜装置54输出处在短轴方向上的光束直径(d输出)之间的比确定的，即v＝d输入/d输出，柱面透镜望远镜装置54在短轴方向上的作用是使入射光束的光束直径缩小。

在光路中在柱面透镜望远镜装置54之后设有变形均匀化光学器件56，其是图3a和图3b所示的光学系统30的光束整形装置34的一部分。变形均匀化光学器件56设置用于使入射光束的强度在照明线的y轴方向上均匀化。变形均匀化光学器件56例如包括两个彼此平行设置的柱面透镜阵列。这些柱面透镜阵列将入射光束分为单独的分束并将它们叠加在整个面上或至少部分面上，从而使光辐射最大程度地均匀化。在多个入射光束的情况下，将每个光束分为单独的分束并进行均匀化的叠加。在多个入射分光束的情况下，将每个分光束分为单独的分束并进行均匀化的叠加。这样的均匀化光学器件例如在本申请所引用的现有技术de4220705a1,de3829728a1或de10225674a1中有详细描述。

光学系统30的光束整形装置34还具有在光路中设置在变形均匀化光学器件56之后的聚光柱面透镜58，其设置用于将借助变形均匀化光学器件56重新分布的光束或分光束远心地引导到照明线上并在那里相对于长轴、即y方向进行叠加。因此，变形均匀化光学器件56和聚光柱面透镜58的组合使得单独的照明线可以成形为照明线，或者在有多个入射光束的情况下使多个单独的照明线成形为总的照明线。

变形均匀化光学器件56和聚光柱面透镜58的组合可以是变形光学器件或这样的光学器件的一部分。它们尤其可以是变形光学器件的一部分，如在本申请所引用的专利文献de102012007601a1的图4至图6中关于变形光学器件42所描述的。

特别是，光束整形装置34还可以包括一个或多个下述光学元件：

-第一准直柱面镜，其在de102012007601a1中以附图标记54表示，

用于校准相对于x轴发射的激光束；

-第二准直柱面镜，其在de102012007601a1中以附图标记56表示，

用于校准相对于y轴发射的激光束；

-在光路中设置在第一准直柱面镜之后的柱面透镜，其在de102012007

601a1中以附图标记58表示，用于使光束相对于x轴聚焦到中间图像上，其中中间图像在de102012007601a1中以附图标记60表示；

-在光路中设置在第一准直柱面镜之后的中间准直柱面镜，用于校准第一中间图像的光束，和/或

-在光路中设置在第一中间图像之后，特别是设置在中间准直柱面透镜之后的另一柱面透镜，其在de102012007601a1中以附图标记62表示，用于使光束相对于x轴聚焦到第二中间图像上，其中第二中间图像在de102012007601a1中以附图标记64表示。

以上所述的变形均匀化光学器件56例如可以由de102012007601a1图4-6中所示的组件68表示或包括之。

以上所述的聚光柱面透镜58例如可以由de102012007601a1图4-6中所示的聚光柱面透镜74表示或包括之。

在光学系统30的光路中在聚光柱面透镜58之后设有柱面物镜装置60。柱面物镜装置60是成像装置36的一部分。

柱面物镜装置60构成为，其仅在x轴(短轴)方向上起作用，即将入射光相对于短轴成像或聚焦在照明线14上。或者换言之，柱面物镜装置60将光束成像为照明线14，在此仅仅是聚焦光束轮廓的短轴而不是光束轮廓的均匀化的长轴。对短轴同样会进行均匀化，如以下将描述的。柱面物镜装置60例如可以是聚焦柱面透镜光学器件。

光学系统30借助设置在柱面物镜装置60和待加工的半导体材料层之间的防护窗63来防止污染。

根据本发明，现在将光学成像装置36构造为并相对于第一阶梯镜装置32a和待加工半导体材料层上的照射平面设置成，使第一阶梯镜装置32a的照射的阶梯镜元件40作为对象由光学成像装置36传送到成像平面中或在那里成像，其中，所述照射平面构成成像平面或成像平面位于照射平面中。更确切地说，第一阶梯镜元件40的被照射的侧向分割边52在成像平面中或在成像平面中成像。第一阶梯镜元件40的被照射的侧向分割边52在旋转90°的光束轮廓48中在第二阶梯镜元件之后关于图4设置在上或下，即设置在x方向上，并且可以通过在x轴(短轴)方向上起作用的光学成像装置36成像在成像平面中。

在图3a和图3b中示出物距a，即第一阶梯镜元件40与柱面物镜装置60和柱面透镜望远镜装置54的物侧主平面之间的距离，以及示出像距b，即柱面物镜装置60和柱面透镜望远镜装置54的像侧主平面与成像平面61之间的距离。第一阶梯镜元件40位于物平面67中。如果具有柱面物镜装置60和柱面透镜望远镜装置54的成像系统的焦距为f，则对于通过成像系统36将第一阶梯镜元件40成像在成像平面61上来说，像距b必须满足公式b＝(f*a)/(a-f)。该关系从映射方程1/f＝1/b+1/a导出。

成像平面61位于照射平面63中，即要在其中对照明线14进行成像的平坦表面，以利用照明线14对该平面进行照射。照射平面63以及由此成像平面61可以位于待处理的基底上，如要用照明线对其进行照射并由此进行加工的待加工的半导体材料层。它们也可以位于接近待处理的基底或待加工的半导体材料层的表面的区域中。

此外，柱面物镜装置60是缩小柱面物镜装置。因此，第一阶梯镜元件40在x轴方向上被缩小地成像在成像平面上，即放大比率小于1。缩小量可通过物距与物镜装置60的焦距f的比率来设置(在将柱面透镜望远镜装置设置成无限远-无限远的情况下)。通常通过柱面物镜装置60的缩小例如位于缩小20倍至100倍的范围内。

除了通过柱面物镜装置60的缩小成像，还有以上所述的通过柱面透镜望远镜装置54缩小作用。如果柱面物镜装置60的放大率例如为1/40，相当于缩小40倍，而柱面透镜望远镜装置54的缩小系数约为3，相当于缩小1/3，则整个光学系统30在短轴(x轴)方向上的放大率为1/120。也就是整个光学系统30的放大率m2为m2＝v*m1，其中m1为柱面物镜装置60的放大率，而v为柱面透镜望远镜装置54的缩小量。

通过这种方式可以使阶梯镜元件在x轴方向上的小图像形成于成像平面上，即半导体材料层的照射平面上。阶梯镜元件的图像给出照明线的短轴。由此给出具有x方向上较高强度的细线。

此外，强度沿x轴是均匀的，具有相对陡峭的侧向边缘，如以下将详细描述的。

如以上关于变形均匀化光学器件56所描述的，对由分光束46构成的光束借助变形均匀化光学器件56沿长轴(y轴)在空间上进行叠加，以获得沿y轴的均匀强度。在此也进行沿短轴对光束的叠加。在此特别是还对第一阶梯镜元件40成像平面成像的分光束46在成像平面中进行叠加。

短轴的分光束46给出第一阶梯镜元件40的子图像，其具有光束轮廓为椭圆形的入射光束38中的强度分布。对此以下将借助图5a、5b-1至5b-4以及5c进行描述。

图5a示意性示出入射光束38的高斯强度分布62沿长轴(y轴)在第一辐射转换元件40处的划分。入射光束38通过在第一辐射转换元件40的反射被分为分光束42，分光束42的光束轮廓沿长轴分别对应于入射光束38的光束轮廓50的分段。由此，分光束42沿长轴的强度对应于图5a所示的强度曲线62的分段。分别与一个分光束对应的强度曲线62的分段在图5a中用附图标记64表示。在此，从图5a可以看出，光束轮廓分段的强度由于在第一辐射转换元件40的侧向尖锐边缘52处对入射光束38的划分而在侧向陡峭地下降。在此所示出的例子中，入射光束38具有宽度为20mm的高斯分布并通过四个第一辐射转换元件40划分为宽度(在入射光束38的y方向上)各为5mm的光束轮廓分段。

在图5b-1至图5b-4中示出各光束轮廓分段的强度。

在此图5b-1的线68示出强度曲线，其对应于第一阶梯镜装置32a的最外侧的第一辐射转换元件40的分光束42，即阶梯镜元件49的分光束42，阶梯镜元件49在图4中设置在外侧最左端。图5b-2的线70示出强度曲线，其对应于第二个第一辐射转换元件40的分光束42；图5b-3的线72示出强度曲线，其对应于第三个第一辐射转换元件40的分光束42，以及图5b-4的线74示出强度曲线，其对应于第四个第一辐射转换元件40(图4中外侧最右端)的分光束42。在此，在图5b-1至图5b-4中可以看到在叠加之前以及在穿行过光学成像装置36之后的分光束的强度曲线。通过在第二辐射转换元件44处旋转90°，入射光束38的光束轮廓的长轴以及由此分光束分段50在第二辐射转换元件44之后在再次偏转的分光束46的短轴方向上对准。相应地，图5b-1至图5b-4中的x轴的方向分别对应于再次偏转的分光束46的短轴方向，从而使陡峭的侧向强度下降对应于光束轮廓分段48的上边缘和下边缘52(参见图4)。在此示出的例子中，光学成像装置36沿短轴缩小的系数为100x。因此，光束轮廓分段50在y方向上的幅宽为5mm，其在第二辐射转换元件44处旋转90°后相应于光束轮廓分段48在x方向上(沿短轴)的幅宽，在通过光学成像装置36成像后缩小到50μm。该在x方向上的幅宽在图5b-1至图5b-2中通过沿x轴的强度曲线的幅宽示出。附加地，图5a中的陡峭侧边被“软化”，即陡峭的侧边比图5a中所示的更平坦地下降并因此而略微更宽。这种软化归因于光学成像装置36的衍射极限，对此以下还将进行进一步的描述。特别是会产生拖尾(verschmierung)，即小于10μm的边缘锐度(在第一强度和第二强度之间小于10μm的宽度，其中，第一强度相应于最大强度的10％，第二强度相应于最大强度的90％)。

通过在第二辐射转换元件44的第二偏转，使分光束彼此相邻地设置，使得它们可以这样叠加：使强度曲线的陡峭边缘相重合。对此将借助图5c进一步描述。

图5c示出叠加的强度曲线，即在叠加分光束时得到的强度曲线。叠加的强度曲线66在整个宽度上给出接近恒定的强度，即平坦的强度曲线(“平顶”)。如从图5c可看出的，对分光束42进行叠加，使得分光束42的强度分布曲线的“尖锐”边缘相重合。在图5c中，这些“尖锐”边缘在左侧和右侧示出。在这些“尖锐”边缘处强度陡峭地下降。在叠加的强度曲线66中，由此还给出在这些侧边陡峭下降的曲线71。由此，叠加的强度曲线66在整个宽度上近似于恒定并具有陡峭下降的边缘71。

如上所述，由于分光束42在第二装置32b的第二辐射转换元件44处再次偏转90°，并由此使各分光束42的光束轮廓也旋转90°，因此在它们被叠加之前，图5c中的侧边70在上、下转动之后，即在图4中的尖锐边缘52处，沿x方向(短轴)设置，通过叠加产生的图5c中的平坦的叠加的强度曲线66在旋转和叠加之后为沿短轴(x轴)的强度曲线。通过在第一辐射转换元件40处的划分，在第二辐射转换元件44处旋转90°并在y方向上叠加分光束46(这也使得在x方向上叠加)，产生具有陡峭下降的边缘71的、在x方向上平坦延伸的均匀化的强度曲线66。

为了能够对平坦延伸的均匀化的强度曲线66进行微调，第二阶梯镜装置32b的阶梯镜元件44可以在角度及位置方面进行精细调整。特别是可以细微改变(如1/10°)关于入射光束42的传播方向的倾角，以及在所有三个空间方向上、特别是x方向上的位置。

通过由成像装置36在x方向上成像，在x方向上会产生由于衍射(衍射极限)的有限分辨率造成的x方向上的拖尾。由此使图5a中陡峭下降的边缘的成像具有拖尾。现在，这样选择圆柱形成像的数值孔径，使拖尾、即所期望的边缘锐度，小于10μm(在第一强度和第二强度之间小于10μm的宽度，其中，第一强度相应于最大强度的10％，第二强度相应于最大强度的90％)，但景深仍可为几百微米。因此，数值孔径相对较小。

以下示例旨在解释以上讨论的关系：

在第一阶梯镜装置32a处，将20mmx4mm的圆柱形扩宽的光束38分成四个分光束42。第一阶梯镜元件40分别具有5mm的宽度(光束38在y方向上的幅宽)，从而使分光束42在该方向上也具有相应的尺寸。第一阶梯镜元件40与成像透镜60之间通常具有3-5米范围内的距离，该距离甚至还可以更大。成像透镜60的焦距f＝150mm，使得缩小比例约为30x。如果利用校准的柱面透镜望远镜54将缩小率设置为例如100x，则阶梯镜元件图像的宽度为5mm/100＝50μm。由于阶梯镜元件图像已经旋转，因此该宽度是x方向上(短轴)的尺寸。

柱面成像的衍射限制的分辨率在柱面物镜装置60的典型的为0.1至0.15的数值孔径的情况下提供低于期望的10μm边缘锐度的分辨率。对于拖尾，产生的景深为10μm至+/-10μm/0.05＝+/-200μm。

如图4所示，第一阶梯镜元件40在z方向上的定位不同，因此它们与柱面物镜装置60的距离不同，并因此使物距不同。但由于阶梯镜元件40通常在z方向上彼此间的相隔不会超过50mm，因此像距以及由此各阶梯镜元件40的成像平面仅略有不同。因此，物距为5000mm的成像平面与物距为5050mm的成像平面相比，对于利用焦距f＝150mm的柱面物镜装置60的30倍缩小来说，在z方向上仅有小于50μm的距离。考虑到物侧光路中具有3倍缩小率的校准的柱面透镜望远镜58，该差小于5μm。

用于对薄半导体层(如薄a-si层)进行退火的装置需要多个激光束，以在长线上提供足够的脉冲能量。如果采用多个激光束，则这样改变图3a和图3b中的光学系统30，使得对于每个激光束都构造一条平行的、具有第一和第二转换装置32a和32b以及缩小的柱面透镜望远镜装置54的光路。这样，具有变形均匀化装置56和聚光透镜58的光束整形装置34以及柱面物镜装置60可以为所有激光束共用。通过这种方式可以在成像平面中叠加更多的线。

出于几何布置的原因，当组合多个激光束时，可能出现从阶梯镜装置32a和32b至柱面物镜装置60的较大的路径差。在此，光路差可达500mm。此外要考虑，激光束在旋转90°的轴中通过变形均匀化装置56引导得离光轴越远，阶梯镜元件40的图像具有的z位置就越短，并因此像距就越小。这是因为离轴远的光束较之离轴近的光束穿过柱面成像装置60的材料的路程更长。

为了在图像位置中对这些差别进行补偿，将光学系统设计成，通过在光路中设置附加的反射元件而为一些光束构成光束绕行路径。这样的附加反射元件82在图6中针对光学系统80示意性地示出。在此，可以改变反射元件82彼此间的相对位置，以便能够可变地调整光束绕行路径84。替代地，可以改变柱面透镜望远镜装置54的光学元件之间的距离86。由于在多个激光束的情况下为每个激光束设置分离的柱面透镜望远镜装置54，可以通过使各柱面透镜望远镜装置54失谐来实现对不同激光束的图像位置的补偿，从而不会损失景深。

因此，本发明的光学系统构造为，将通过入射光束照射的辐射转换装置的第一元件作为对象，其通过光学成像装置光学地作为图像缩小到照射平面中或成像到半导体材料层中。该图像通过光束整形装置在y方向上(长轴)在空间进行叠加并由此而空间地叠加成像。尤其是通过光学成像装置对照射的辐射转换装置的边缘缩小地成像，使得产生x方向上的细照明线，其具有在x方向上高的、接近恒定的强度，在此，照明线边缘的强度陡峭下降。在此，柱面透镜望远镜装置和光学成像装置都起缩小的作用。具有装置特征的沿短轴的照明线可以产生规则的多晶晶粒结构。