Brevet FR2796167A1 — publié le 20010112

SYSTEME OPTIQUE DE CONVERSION D'UN FRONT D'ONDE EQUI- ENERGIE EN FRONT D'ONDE D'ENERGIE VARIABLE L'invention concerne la réalisation, la fabrication ainsi que la mise en oeuvre d'un masque interposable sur le chemin optique suivi par un faisceau lumineux de manière à transformer un profil énergétique plat, en un profil variable. L'utilisation d'un profil en rampe sera par exemple décrit dans une application de cristallisation de matériau semi-conducteur pour mettre en évidence l'intérêt de l'invention. Mais l'invention est bien entendue utilisable pour toute autre application optique ou autre. L'application de l'invention à la cristallisation de couches de matériaux semiconducteur va être décrite pour mettre en évidence son intérêt industriel. La cristallisation de couches minces de silicium amorphe est un point fondamental à maîtriser en vue de l'obtention d'un matériau polycristallin dans des applications écrans à cristaux liquides, grandes surfaces à matrices actives (filière polysilicium). Les tailles de substrat de verre n'ont pas cesser d'augmenter. D'environ 300 x 400 mm2 en 1992 (génération 1) en passant à 650 x 830 mm2 en 1998 (génération 3.5) les prévisions d'investissements tablent sur des chaînes de production travaillant sur des substrats d'environ 1100 x 1200 mm2 en 2003 (génération 5). Deux techniques sont actuellement utilisées pour cristalliser une couche précurseur de silicium amorphe déposée sur ces grands substrats la cristallisation en phase solide (SPC : Solid Phase Cristallisation) et celle par laser. - La première ne peut s'appliquer pour des substrats de verre du fait d'une température trop élevée pendant de trop longues durées (dizaines d'heures à plus de 550 C) et est de plus génératrice de défauts intra-granulaires dans le matériau. - La seconde, est dotée de nombreux avantages (i) pics thermiques très brefs, non stressants pour les substrats de verre, (ii) peu de défauts intra-granulaires créés, (iii) rapidité de mise en ceuvre. Les lasers actuellement disponibles ne remplissent pas encore totalement toutes les caractéristiques techniques idéales qui rendraient cette méthode incontournable, à savoir (i) très longue durée de vie (> à 109 tirs), (ii) bonne stabilité d'un tir au suivant ( à 30 cm) (iv) peu ou pas de maintenance Cependant, les lasers n'en sont pas moins une filière de cristallisation très intéressante qui devient de plus en plus incontournable d'un point de vue industriel. Les méthodes actuelles de cristallisation par laser mettent en forme au moyen d'une optique adaptée (télescope, homogénéiseur, lentilles de focalisation, etc...) le spot en sortie du laser sous forme d'un fin pinceau le plus plat possible (profil top hat ) de manière à cristalliser les échantillons le plus uniformément possible par balayages successifs. L'utilisation d'un profil top hat va induire dans le matériau cristallisé lors du balayage de l'échantillon et ce, dû au flanc avant du faisceau laser sur son petit axe, un marquage au pas d'avancée du spot laser. La demande de brevet français n 98 08556 décrit une solution permettant de résoudre ce problème en utilisant un front d'onde optique d'énergie variable. Le problème est d'obtenir ce front d'onde présentant le profil d'énergie variable nécessaire. L'invention concerne donc un système optique de conversion d'un front d'onde equi-énergie en un front d'onde d'énergie variable, caractérisé en ce qu'il comporte un masque présentant des zones de largeurs variables possédant un premier coefficient de transmission optique intercalées avec des zones possédant un deuxième coefficient de transmission optique. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description donnée à titre d'exemple qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent # les figures 1 a à 1 d, un exemple de réalisation de l'invention ; # les figures 2 à 6, différentes formes d'éléments du masque selon l'invention ; # les figures 7 et 8, des formes de fronts d'ondes avant et après traitement par le masque selon l'invention ; # la figure 9, un exemple de système optique utilisant le masque selon l'invention ; # la figure 10, une variante de réalisation du masque selon l'invention. L'invention consiste à interposer un masque sur le chemin optique d'un faisceau présentant un profil d'énergie plat. Le flux lumineux de profil énergétique constant va venir impacter en incidence de préférence normale un masque constitué d'une répétition de motifs discrets opaques ou semi-transparents dont la forme variable dépendra du type de nouveau profil de faisceau recherché. La figure 1 représente un exemple simplifié d'un tel masque. II comporte sur une plaque transparente ou se mi -transparente, des éléments tels que 2. Sur la partie gauche de la figure l a, on a représenté deux de ces éléments 2 et 2' en vue agrandie. Ces éléments sont alignés selon une ligne YY. Ils ont, selon cet exemple, la forme de triangles isocèles identiques dont les axes de symétrie sont perpendiculaires à la ligne YY'. Les éléments 2 ont un coefficient de transmission différent du reste de la plaque. Ils sont par exemple opaques. Lorsqu'un faisceau F1 de section rectangulaire éclaire l'ensemble des éléments 2 son profil d'énergie est modifié lors de la traversée du masque. Ainsi, si avant traversée du masque, selon une direction perpendiculaire à YY'. Ce profil d'énergie est uniforme selon une section droite du faisceau (voir figure 1 b), ce profil se trouve modifié après traversée du masque et se présente par exemple comme cela est représenté en figure 1 c. La figure 2 représente donc un masque constitué d'une succession de triangles isocèles opaques sous forme de réseau, dont le pas constant de répétition sera judicieusement choisi de manière à ne pas dupliquer les structures totalement opaques du masque dans le plan image du dispositif d'utilisation. Ce choix dépendra des valeurs de divergence d du faisceau F1, r du pas de répétition des triangles P, de la distance totale entre le masque et le plan image D et du rapport de grandissement du faisceau R en entrée de chaîne optique et au niveau du masque ainsi que de la longueur d'onde du faisceau incident ;, (voir figure l d). d et R étant fixes, D difficilement changeable, la seule variable est donc P. D devra satisfaire une équation du type D > Pl(dlR) avec P > 100 k A.N. : avec d=3mrd, R=0.2, P=100pm, #.=0.3pm alors D > 15 cm, ce qui est aisément le cas. Les triangles du masque seront dupliqués sur une longueur au moins égale à la grande dimension ( longueur) du faisceau optique et auront une hauteur égale à I largeur du faisceau dans le plan optique où est positionnée la nouvelle lentille en tenant compte d'un éventuel taux d'agrandissement dans ce plan. La pente de la rampe dépendra directement de la forme des triangles. Si la base de ces triangles a une longueur B, la pente dépendra uniquement du rapport dimensionnel B/P avec P, pas de répétition des triangles. Pour B=0 (triangle inexistant) la pente sera nulle et le profil plat, pour B=P, la pente sera maximale et égale à 100 %. Les pentes typiques, dans une application cristallisation de silicium amorphe en silicium polycristallin, telle que décrite précédemment, seront comprises entre 5 et 30 % mais pourraient être également supérieures à ces valeurs. On prendra en compte bien entendu le pourcentage du faisceau occulté par le masque pour des calculs de puissance optique disponible en bout de ligne. Par exemple, une pente de 10 % générera une atténuation d'environ 5 % pour un pas de 100 Nm. Le matériau support constituant le masque devra être transmissif à la longueur d'onde de travail. Par exemple pour un travail dans l'UV proche on choisira du quartz. Le matériau des zones occultantes sera choisi pour être le moins absorbant à la longueur d'onde de travail pour éviter ou diminuer les effets de vieillissement et de dégradation du masque, vu les faibles géométries microniques tout en restant compatible avec les techniques de lithographie. On préférera par exemple l'aluminium ou le silicium au chrome si on se situe dans l'UV proche mais on pourra utiliser tout autre matériau remplissant au mieux ces propriétés pour une longueur d'onde donnée. Les figures 3 à 6 représentent différentes formes des éléments 2. Les éléments peuvent être une succession de pentes positives (figure 3) ou négatives différentes (figure 4) ou bien encore un mélange des deux (par exemple figures 5 et 6, mais non limitatif). On a représenté sur chaque figure, au-dessous du motif de base, le profil énergétique du faisceau en deux dimensions en sortie de masque. Les longueurs respectives des différentes sections sur le masque dépendront uniquement des rapports de longueurs des différentes pentes que l'on veut réaliser sur le profil du faisceau. On a représenté, avec des dimensions arbitraires, pour illustration, le profil plat ( top hat ), en trois dimensions, en entrée du masque (figure 7), ce qui correspond à la figure lb, et un profil en rampe à croissance continue, toujours en trois dimensions en sortie du masque (figure 8) ce qui correspond à la figure 1 c. Selon une variante de réalisation, les structures envisagées peuvent être réalisées dans un matériau non plus complètement opaque (type aluminium, chrome, silicium épais ou autre), mais semi-transparent (type fine couche de silicium amorphe ou autre). On modulera l'épaisseur déposée de semiconducteur en fonction du taux de transmission souhaité. Les épaisseurs typiques seront comprises entre 1 et 10 nm. Cette méthode permettra l'utilisation de motifs de base (triangles) de taille plus importante pour un même résultat, ce qui permettra l'utilisation d'une technologie de masquage moins contraignante en terme de précision et par conséquent d'un coût moindre. Dans une alternative, représentée en figure 9, pour obtenir une homogénéité du faisceau, on peut placer le masque formant le dégradé énergétique au voisinage d'un intégrateur optique. Le rôle de l'intégrateur est d'homogénéiser l'éclairement. Il est constitué de deux alignements de lentilles sphériques ou cylindriques L1 et L2 dont le rôle est pour le premier L1 de découper le faisceau incident F1 en sous-faisceaux f1 qui se focalisent chacun sur une lentille du second alignement L2. Chaque lentille du second alignement L2 réimage la lentille correspondante du premier alignement sur une même surface à distance finie ou infinie. Le masque générant le gradient d'énergie est placé au voisinage du premier alignement de lentille L1. II est constitué de motifs qui se positionnent en regard de chacune des lentilles. L'avantage de cette variante est que les inhomogénéités apportées par le motif triangulaire ou par des défauts présents sur la surface sont moyennées lors de la superposition des sous-faisceaux sur la cible. Dans le cas de lentille sphérique, on choisira une défocalisation suffisante et un pas des éléments triangulaires suffisamment faible pour que ces motifs ne soient pas imagés sur la cible. Dans le cas d'intégrateur à lentilles cylindriques, on placera le masque au voisinage des lentilles dont les génératrices sont parallèles aux lignes d'iso-éclairements (parallèles à YY'). La figure 9 montre un exemple de réalisation dans lequel les lentilles du premier alignement F1 sont associées aux éléments du masque. Par exemple, dans le cas de lentilles cylindriques, chaque lentille telle que 11 est associée à une rangée d'éléments telle que r1. L'axe de chaque lentille 11 est parallèle à la ligne d'alignement d'une rangée r1. Par ailleurs, les lentilles sont disposées au même pas que les éléments du masque. Le deuxième alignement de lentille L2 est similaire voire identique au premier alignement de lentilles. Les axes des lentilles du premier alignement sont parallèles aux axes des lentilles du deuxième alignement. Les lentilles des deux alignements ont même distances focales. Les lentilles du deuxième alignement sont placées selon un plan focal du premier alignement et inversement. De plus, les axes optiques des lentilles du premier alignement coïncident avec les axes optiques de lentilles du deuxième alignement. Préférentiellement, les faisceaux transmis par l'alignement de lentille L2 sont parallèles entre eux. Enfin une lentille de focalisation commune LF focalise les faisceaux transmis par le deuxième alignement de lentilles pour les focaliser dans un même plan dans lequel sera placée en principe la cible. En plus des motifs de base permettant d'induire le profil prédéfini on peut envisager d'intégrer également sur le masque la fonction fente qui est réalisée normalement en amont par un objet dévolu à cela. Cette fonction a pour but de couper les flancs du faisceau sur son petit axe de façon à rendre ceux-ci les plus raides possibles. L'avantage majeur de cette intégration des deux fonctions dans le même plan est de supprimer un risque de désalignement potentiel dans la chaîne optique, les hauteurs des triangles du masque devant être perpendiculaire aux flancs du faisceau sur son petit axe. C'est ainsi que sur la figure 10, on a prévu, de part et d'autre des éléments 2 et parallèles à la ligne YY' d'alignement des éléments 2, deux bandes 3 et 4 de coefficient de transmission optique faible, de même nature par exemple que les éléments 2. REVENDICATIONS 1. Système optique de conversion d'un front d'onde equi-énergie en un front d'onde d'énergie variable, caractérisé en ce qu'il comporte un masque (1) présentant des zones (2) de largeurs variables possédant un premier coefficient de transmission optique intercalées avec des zones possédant un deuxième coefficient de transmission optique. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le masque est de forme plane. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le masque est placé dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de propagation du faisceau. 4. Système selon l'une des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce que les zones du premier coefficient de transmission ont des formes de triangles ou de trapèzes toutes identiques dont les côtés identiques sont parallèles entre eux. 5. Système selon l'une des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce que les zones du premier coefficient de transmission sont disposées selon une ligne (YY'), chaque zone présentant un axe de symétrie perpendiculaire à cette ligne. 6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments sont en matériau opaque ou semi-transparent. - 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que les éléments sont en aluminium, chrome, silicium épais ou couche fine de silicium. 8. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pas de répétition desdits éléments satisfait la formule D > P I(dIR) Avec: P > 100 X. D étant la distance masque-cible P étant le pas des éléments (2) d étant la divergence du faisceau d'éclairement R étant le rapport de grandissement du faisceau 9. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments ont des formes permettant d'induire dans le faisceau des rampes énergétiques croissante et/ou décroissante. 10. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le masque comporte des éléments de formes différentes. 11. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le masque comporte plusieurs lignes d'éléments. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un système optique permettant de superposer l'image desdites lignes dans un plan cible. 13. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le masque comporte de part et d'autre de la ligne d'éléments et parallèle à cette ligne, deux bandes présentant un faible coefficient de transmission. 14. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un système optique intégrateur de lumière associé audit masque. 15. Système selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit intégrateur comporte - un premier alignement de lentilles sphériques ou cylindriques (L1) accolé ou quasiment accolé au masque; - un deuxième alignement de lentilles sphériques ou cylindriques (L2) imageant le premier alignement de lentille (L1) dans un plan cible déterminé. 16. Système selon la revendication 15, caractérisé en ce que - chaque lentille du premier alignement (L1) est associée à un élément (2) dans le cas de lentilles sphériques ou à une ligne d'éléments dans le cas de lentilles cylindriques ; - les deux alignements de lentilles (L1, L2) sont quasiment identiques et sont situés dans des plans focaux l'un de l'autre ; - les axes optiques des lentilles du premier alignement correspondent aux axes optiques de lentilles du deuxième alignement; - une lentille commune LF focalise le faisceau transmis par le deuxième élément de lentilles vers le plan cible.