WO2015003817A1 - Device and method for thermally treating a substrate - Google Patents

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WO2015003817A1 PCT/EP2014/001928 EP2014001928W WO2015003817A1 WO 2015003817 A1 WO2015003817 A1 WO 2015003817A1 EP 2014001928 W EP2014001928 W EP 2014001928W WO 2015003817 A1 WO2015003817 A1 WO 2015003817A1
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Christoph Neugebauer
Rudolf Beckmann
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Abstract

The present invention relates to a device and a method for thermally treating a substrate, in particular a sapphire substrate (10), wherein the device comprises the following: a substrate carrier (30), which has a substrate receptacle (34) for arranging the substrate (10) on the substrate carrier (30), at least one laser source (20) for producing laser radiation (21) directed toward the substrate receptacle (34), and at least one laser beam-forming unit (22) for producing a transverse spatial intensity distribution (24) of the laser radiation (21), which intensity distribution (24) has, at most, local intensity maxima (26a) or local intensity minima (26b) in the region of a transverse extension of the substrate receptacle (34), at which local intensity maxima or local intensity minima the intensity of the laser radiation (21) deviates by less than 20% from an intensity (25) of the laser radiation (21) averaged over the transverse extension of the substrate receptacle (34).

Description

Vorrichtung und Verfahren zum thermischen Behandeln eines Substrats  Apparatus and method for thermally treating a substrate
B e s c h r e i b u n g Description
Technisches Gebiet Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Behandeln eines Substrats, insbesondere eines kristallinen Substrats, wie zum Beispiel eines Saphirsubstrats. Das Verfahren und die Vorrichtung sind hierbei insbesondere dazu vorgesehen, das Substrat auf eine Bearbeitungstemperatur zu erhitzen, bei welcher ein thermisches Härten bzw. Tempern des Substrats erfolgt. Technical Field The present invention relates to an apparatus and method for thermally treating a substrate, particularly a crystalline substrate, such as a sapphire substrate. The method and the apparatus are in this case provided, in particular, for heating the substrate to a processing temperature at which thermal curing or tempering of the substrate takes place.
Hintergrund background
Zur Herabsetzung einer Defektdichte und/oder zur Herabsetzung von intrinsischen mechanischen Spannungen von typischerweisen planaren Substraten ist es bekannt, das Substrat einem Temperprozess zu unterziehen, bei welchem das Substrat auf eine Temperatur erhitzt wird, die nur geringfügig unterhalb des Schmelzpunkts des Substratmaterials liegt. Auf diese Art und Weise können makroskopische als auch mikroskopische Oberflächendefekte, wie sie typischerweise durch vorangegangene Bearbeitungsschritte, etwa durch Sägen, Schleifen oder Polieren hervorgerufen wurden, weitgehend ausheilen. In order to reduce a defect density and / or reduce intrinsic mechanical stresses of typical planar substrates, it is known to subject the substrate to an annealing process in which the substrate is heated to a temperature only slightly below the melting point of the substrate material. In this way, macroscopic as well as microscopic surface defects, as typically caused by previous processing steps, such as sawing, grinding or polishing, can heal to a large extent.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Ein gängiges thermisches Behandlungsverfahren für derartige Substrate wird zum Beispiel in der DE 10 2004 010 377 A1 beschrieben. Dort wird eine einkristalline dünne Scheibe bei einer Temperatur oberhalb 1770 K getempert. Hierbei werden Aufheizgeschwindigkeiten von maximal 500 K/h sowie eine Temperzeit, das heißt ein Verweilen auf der für den Ausheilprozess vorgesehenen Bearbeitungstemperatur von vier Stunden vorgeschlagen. Ein derartiger thermischer Behandlungsprozess ist vergleichsweise langwierig, dementsprechend kosten- und energieintensiv und er ist daher für eine großindustrielle und kostenoptimierte Massenfertigung von thermisch behandelten Substraten nur bedingt geeignet. CONFIRMATION COPY A common thermal treatment method for such substrates is described, for example, in DE 10 2004 010 377 A1. There, a monocrystalline thin disc is annealed at a temperature above 1770 K. In this case, heating rates of a maximum of 500 K / h and an annealing time, that is, a lingering on the intended for the annealing process processing temperature of four hours are proposed. Such a thermal treatment process is comparatively tedious, correspondingly expensive and energy-intensive and is therefore only of limited suitability for large-scale industrial and cost-optimized mass production of thermally treated substrates.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines Substrats bereitzustellen, welche ein möglichst zügiges und dementsprechend kosten- und zeiteinsparendes thermisches Behandeln, insbesondere ein Tempern des Substrats ermöglicht. The present invention is therefore based on the object to provide a method and apparatus for the thermal treatment of a substrate, which allows the fastest possible and therefore cost and time-saving thermal treatment, in particular a tempering of the substrate.
Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines Substrats gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind hierbei jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche. Insoweit ist eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines Substrats vorgesehen. Die Vorrichtung weist hierfür einen Substratträger mit einer Substrataufnahme zur Anordnung des Substrats am Substratträger auf. Ferner weist die Vorrichtung zumindest eine Laserquelle zur Erzeugung einer zur Substrataufnahme gerichteten Laserstrahlung auf und die Vorrichtung ist zudem mit zumindest einer Laser-Strahlformungseinheit ausgestattet. Diese ist zur Erzeugung einer transversalen räumlichen Intensitätsverteilung der Laserstrahlung ausgebildet, wobei die Intensitätsverteilung im Bereich einer transversalen Ausdehnung der Substrataufnahme allenfalls lokale Intensitätsmaxima oder lokale Intensitätsminima aufweist, in welchen die Intensität der Laserstrahlung um weniger als 20 % von einer über die transversale Ausdehnung der Substrataufnahme gemittelten Intensität der Laserstrahlung abweicht. Invention and Advantageous Embodiments This object is achieved with a device for the thermal treatment of a substrate according to the independent claim 1 and with a method according to claim 11. Advantageous embodiments of the invention are in each case the subject of dependent claims. In that regard, an apparatus for thermally treating a substrate is provided. For this purpose, the device has a substrate carrier with a substrate receptacle for arranging the substrate on the substrate carrier. Furthermore, the device has at least one laser source for generating a laser radiation directed toward the substrate receptacle, and the device is additionally equipped with at least one laser beam-shaping unit. This is designed to generate a transverse spatial intensity distribution of the laser radiation, wherein the intensity distribution in the region of a transverse extent of the substrate recording has at most local intensity maxima or local intensity minima, in which the intensity of the laser radiation is less than 20% of averaged over the transverse extent of the substrate recording Intensity of the laser radiation deviates.
Mit anderen Worten sind die Laserquelle und die Laser-Strahlformungseinheit derart ausgebildet, dass das an oder in der Substrataufnahme angeordneteIn other words, the laser source and the laser beam shaping unit are designed such that the arranged on or in the substrate holder
Substrat über seine typischerweise planare Substratfläche im Wesentlichen homogen mit Laserstrahlung beaufschlagbar ist. Auf diese Art und Weise kann ein möglichst spannungsfreies, zugleich aber zügiges Erwärmen bzw.Substrate on its typically planar substrate surface is substantially homogeneously acted upon by laser radiation. In this way, as tension-free, but at the same time rapid heating or
Aufheizen des Substrats mittels der auf das Substrat einwirkenden Laserstrahlung erfolgen. Der gesamte Bereich der Substratfläche, bzw. derHeating the substrate by means of acting on the substrate laser radiation done. The entire area of the substrate surface, or the
Substrataufnahme ist hierbei gleichzeitig und vollständig von der Laserquelle beaufschlagbar. Substrate receptacle is in this case simultaneously and completely acted upon by the laser source.
Die zur thermischen Behandlung des Substrats vorgesehene Wellenlänge der Laserstrahlung liegt in einem Bereich, in welchem das thermisch zu behandelnde Substrat eine für die thermische Behandlung ausreichende Absorptionscharakteristik aufweist. Die Wellenlänge oder der Spektralbereich der von der Laserquelle zu erzeugenden Laserstrahlung kann daher jeweils in Abhängigkeit des Substratmaterials variieren. The wavelength of the laser radiation provided for the thermal treatment of the substrate lies in a region in which the substrate to be thermally treated has an absorption characteristic which is sufficient for the thermal treatment. The wavelength or the spectral range of the laser radiation to be generated by the laser source can therefore vary depending on the substrate material.
Mittels des laserinduzierten Aufheizens kann ein zielgerichtetes, zügiges sowie über die Substratfläche weitgehend homogenes Aufheizen des Substrats verwirklicht werden. Insbesondere können durch die über die transversale Ausdehnung der Substrataufnahme im Wesentlichen konstante Intensitätsverteilung der Laserstrahlung etwaige durch thermische Ausdehnung bedingte Spannungen innerhalb des Substrats reduziert bzw. minimiert werden, sodass ein besonders zügiges Aufheizen auf eine Bearbeitungstemperatur weitgehend ohne Gefahr von thermisch bedingten Rissen oder Spannungen erfolgen kann. By means of the laser-induced heating, a targeted, rapid as well as substantially homogeneous heating of the substrate over the substrate surface can be realized. In particular, the intensity distribution of the laser radiation, which is substantially constant over the transverse extent of the substrate receptacle, can reduce or minimize any stresses caused by thermal expansion within the substrate, so that a particularly rapid heating to a processing temperature is achieved can be done largely without risk of thermally induced cracks or tensions.
Anders als bei einem konvektiven Wärmetransport können mittels der auf die Substrataufnahme und somit auch auf das Substrat gerichteten transversal homogen ausgestalteten Intensitätsverteilung sämtliche Flächensegmente des Substrats in Punkto Energiedeposition pro Flächeneinheit gleichermaßen aufgeheizt werden. Die geometrische Ausgestaltung der Substrataufnahme entspricht typischerweise den Außenabmessungen bzw. der Dimension des zu behandelnden Substrats. Je nach vorgesehener Halterung des Substrats auf oder am Substratträger kann die Fläche der Substrataufnahme in etwa direkt der mit Laserstrahlung zu beaufschlagenden Substratfläche entsprechen und abgesehen von der Dicke des Substrats auch direkt mit der Substratfläche zusammenfallen. Unlike a convective heat transport, all surface segments of the substrate can be equally heated in terms of energy deposition per unit area by means of the transversely homogeneously designed intensity distribution directed at the substrate receptacle and thus also at the substrate. The geometric configuration of the substrate receptacle typically corresponds to the outer dimensions or the dimension of the substrate to be treated. Depending on the intended mounting of the substrate on or on the substrate carrier, the surface of the substrate holder can correspond approximately directly to the substrate surface to be acted upon by laser radiation and, apart from the thickness of the substrate, also coincide directly with the substrate surface.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Laserquelle und die Laser-Strahlformungseinheit zur Erzeugung einer Laserstrahlung mit einer transversalen räumlichen Intensitätsverteilung ausgebildet sind, welche Intensitätsverteilung sich über die gesamte Fläche der Substrataufnahme und somit auch über die gesamte Fläche des daran anordenbaren Substrats erstreckt. Es ist dabei insbesondere vorgesehen, die gesamte, thermisch zu behandelnde Substratfläche gleichzeitig mit einer möglichst homogenen Intensitätsverteilung des Laserlichts zu beaufschlagen. Auf diese Art und Weise kann über die Fläche aber auch bezogen auf die Substratdicke ein überaus homogener thermischer Energieeintrag in das Substrat erfolgen. Hierdurch kann dieses besonders schnell und zugleich weitreichend frei von thermischen Spannungen, welche stets Folge eines räumlich inhomogenen thermischen Energieeintrags sind, auf eine geforderte Temperatur aufgeheizt werden. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weicht die Intensität der Laserstrahlung im Bereich der transversalen Ausdehnung der Substrataufnahme lokal um weniger als 10 %, weniger als 5 %, weniger als 2 % oder um weniger als 1 % von der über die transversale Ausdehnung der Substrataufnahme bzw. über die transversale Ausdehnung der Substratfläche gemittelten Intensität ab. Derartige Homogenitätsanforderungen sind insbesondere von der Bruchfestigkeit sowie der thermischen Leitfähigkeit als auch der Intensität bzw. der Leistungsdichte der Laserstrahlung abhängig. According to one embodiment of the invention, it is provided that the laser source and the laser beam shaping unit are designed to generate a laser radiation having a transverse spatial intensity distribution, which intensity distribution extends over the entire surface of the substrate holder and thus also over the entire surface of the substrate which can be arranged thereon. In this case, provision is made in particular for the entire substrate surface to be thermally treated to be acted on at the same time with the most homogeneous possible intensity distribution of the laser light. In this way, over the surface but also based on the substrate thickness, a very homogeneous thermal energy input into the substrate can take place. In this way, it can be heated to a required temperature particularly quickly and at the same time far away from thermal stresses, which are always the result of spatially inhomogeneous thermal energy input. According to one embodiment of the invention, the intensity of the laser radiation in the region of the transverse extent of the substrate receiving deviates locally by less than 10%, less than 5%, less than 2% or less than 1% of that over the transverse extent of the substrate receptacle or over the transverse extent of the substrate surface average intensity. Such homogeneity requirements are particularly dependent on the breaking strength and the thermal conductivity as well as the intensity or the power density of the laser radiation.
Wird das Substrat z.B. relative langsam aufgeheizt, so können vergleichsweise große lokale Intensitätsabweichungen von der räumlich bzw. transversal gemittelten Intensität durchaus tolerierbar sein. Je schneller das Substrat mittels der Laserstrahlung aufgeheizt werden soll, je höher folglich der Energieeintrag pro Zeiteinheit ist, desto höher sind jedoch die Anforderungen an die transversale Homogenität der Intensitätsverteilung der Laserstrahlung auf dem Substrat bzw. im Bereich der das Substrat aufnehmenden Substrataufnahme des Substratträgers. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt die optische Leistungsdichte der Laserquelle zwischen 1 W/cm2 und 500 W/cm2 im Bereich der Substrataufnahme, konkret an oder auf einer Substrataufnahmefläche, sowie auf dem dort zu behandelnden Substrat. Soll mit der Vorrichtung zum Beispiel ein Substrat mit einer Substratfläche von zum Beispiel 20 cm2 behandelt werden, so sollte die optische Leistung der Laserquelle zwischen 100 W und 10 kW betragen. Mittels derart leistungsstarken Laserquellen kann das betreffende Substrat innerhalb einiger weniger Sekunden auf die geforderte Bearbeitungstemperatur erhitzt werden. So sind optische Leistungsdichten der Laserquelle im Bereich von 0 W/cm2 bis 250 W/cm2, sowie von 50 W/cm2 bis 200 W/cm2 als auch von 100 W/cm2 bis 200 W/cm2 oder von 100 W/cm2 bis 150 W/cm2 denkbar. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Laserquelle gepulst oder im Dauerstrichbetrieb, d.h. im Continuous-Wave (cw)-Modus betreibbar. Hierbei ist vorgesehen, dass die Laserquelle auch die zuvor angegebenen Leistungsdichten im cw-Modus bereitstellen kann. So ist insbesondere das Betreiben der Laserquelle im kontinuierlichen cw-Modus für ein zügiges Aufheizen des Substrats besonders geeignet. For example, if the substrate is heated relatively slowly, comparatively large local intensity deviations from the spatially or transversely averaged intensity may well be tolerable. However, the faster the substrate is to be heated by means of the laser radiation, the higher the energy input per unit of time, the higher are the requirements for the transverse homogeneity of the intensity distribution of the laser radiation on the substrate or in the region of the substrate receiving the substrate carrier receiving the substrate. According to a further embodiment of the invention, the optical power density of the laser source is between 1 W / cm 2 and 500 W / cm 2 in the region of the substrate receptacle, specifically on or on a substrate receiving surface, as well as on the substrate to be treated there. For example, if the device is to be treated with a substrate having a substrate area of, for example, 20 cm 2 , the optical power of the laser source should be between 100 W and 10 kW. By means of such powerful laser sources, the substrate in question can be heated to the required processing temperature within a few seconds. Thus, optical power densities of the laser source are in the range of 0 W / cm 2 to 250 W / cm 2 , as well as from 50 W / cm 2 to 200 W / cm 2 as well as from 100 W / cm 2 to 200 W / cm 2 or 100 W / cm 2 to 150 W / cm 2 conceivable. According to a further embodiment, the laser source is pulsed or in continuous wave mode, ie in continuous wave (cw) mode operable. In this case, it is provided that the laser source can also provide the previously stated power densities in the cw mode. In particular, the operation of the laser source in the continuous cw mode for a rapid heating of the substrate is particularly suitable.
Ein gepulster Betrieb kann jedoch zumindest teilweise während des Aufheizens von Vorteil sein. Ein zeitweises Abschalten oder Deaktivieren der Laserquelle, wie es im gepulsten Betrieb erfolgt, ermöglicht nämlich ein thermisches Relaxieren des Substrats. Sollte die räumliche Intensitätsverteilung des am Substrat anliegenden Laserstrahls derartige lokale Intensitätsschwankungen aufweisen, die zur Induzierung einer die Materialbelastungsgrenze übersteigenden thermischer Spannungen im Substrat führen würden, kann das Substrat in den Pulspausen der gepulsten Laserstrahlung thermisch relaxieren, sodass einzelne Flächensegmente des Substrats, welche gegenüber angrenzenden Flächensegmenten mit einer lokal erhöhten Intensität beaufschlagt wurden, durch die Wärmeleitung innerhalb des Substrats auf das Temperaturniveau der angrenzenden Flächensegmente "abkühlen" bzw. sich dem Substrat-Umgebungstemperaturniveau angleichen. However, pulsed operation may be at least partially beneficial during heating. A temporary switching off or deactivating of the laser source, as it is done in pulsed mode, namely allows a thermal relaxation of the substrate. Should the spatial intensity distribution of the laser beam applied to the substrate have such local intensity fluctuations that would induce a thermal stress in the substrate exceeding the material load limit, the substrate may relax thermally in the pulse pauses of the pulsed laser radiation, so that individual surface segments of the substrate which face adjacent surface segments have been applied with a locally increased intensity, by the heat conduction within the substrate to the temperature level of the adjacent surface segments "cool down" or adapt to the substrate ambient temperature level.
Etwaige lokale Temperaturunterschiede des Substrats, die infolge lokal variierender Intensitätsverteilungen der Laserstrahlung entstehen können, sind durch Wärmeleitung innerhalb des Substrats in den entsprechenden Pulspausen weitgehend ausgleichbar. Es erweist sich hierbei als vorteilhaft, wenn die Pulspausen bzw. die Repetitionsrate und die Pulsdauer der gepulsten Laserstrahlung in Abhängigkeit bzw. unter Berücksichtigung der räumlich transversalen Intensitätsverteilung der Laserstrahlung auf der Substratfläche sowie unter Berücksichtigung der thermischen Leitfähigkeit des Substratmaterials gewählt sind. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Laserquelle zur Erzeugung von Laserstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 1 pm und 1 1 pm ausgebildet. Sofern ein Saphirsubstrat thermisch behandelt werden soll, sind Laserquellen mit einer Laserstrahlung einer Wellenlänge im Bereich größer 5 pm vorzusehen. Monokristalliner Saphir weist im Spektralbereich zwischen 200 nm und 5 pm einen vergleichsweise hohen Transmissionsgrad und hiermit einhergehend einen dementsprechend geringen Absorptionsgrad auf. Für die thermische Behandlung von Saphirsubstraten ist es daher vorteilhaft, Laserstrahlung im Bereich oberhalb von 5 pm zu verwenden. Für jenen Spektralbereich sind besonders leistungsstarke Laserquellen vergleichsweise kostengünstig zu beziehen. Beispielsweise kann als Laserquelle ein gepumpter C02-Laser vorgesehen werden. Possible local temperature differences of the substrate, which may arise as a result of locally varying intensity distributions of the laser radiation, can be largely compensated by heat conduction within the substrate in the corresponding pulse pauses. It proves to be advantageous in this case if the pulse pauses or the repetition rate and the pulse duration of the pulsed laser radiation are selected depending on or taking into account the spatially transverse intensity distribution of the laser radiation on the substrate surface and taking into account the thermal conductivity of the substrate material. According to a further embodiment, the laser source for generating laser radiation having a wavelength between 1 pm and 1 1 pm is formed. If a sapphire substrate is to be thermally treated, laser sources with a laser radiation of a wavelength in the range greater than 5 pm are to be provided. Monocrystalline sapphire has a comparatively high degree of transmittance in the spectral range between 200 nm and 5 μm and, associated therewith, a correspondingly low degree of absorption. For the thermal treatment of sapphire substrates, it is therefore advantageous to use laser radiation in the range above 5 pm. For this spectral range, particularly powerful laser sources can be obtained relatively inexpensively. For example, a pumped C0 2 laser can be provided as the laser source.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung zum thermischen Behandeln des Substrats ein gegenüber der Umgebung weitgehend thermisch isoliertes Gehäuse zur Aufnahme des Substratträgers, mithin zur Aufnahme des zumindest einen Substrats auf. Ein thermisch isoliertes Gehäuse dient der Bildung einer räumlich homogenen Temperaturzone im Bereich des Substratträgers, dessen Substrataufnahme und letztlich im Bereich des dort vorzusehenden Substrats. Externe Störeinflüsse, wie sie zum Beispiel durch Feuchtigkeit, Staub oder Schmutz gegeben sind, können hierdurch weitgehend minimiert werden. Auch kann mittels des thermisch isolierten Gehäuses eine thermische Energiedissipation an die Umgebung möglichst minimiert werden, was zur Verbesserung der energetischen Gesamtbilanz und der Betriebskosten der thermischen Behandlungsvorrichtung beiträgt. In accordance with a further embodiment, the device for the thermal treatment of the substrate has a housing which is largely thermally insulated from the environment for receiving the substrate carrier, and thus for receiving the at least one substrate. A thermally insulated housing serves to form a spatially homogeneous temperature zone in the region of the substrate carrier, its substrate receptacle and ultimately in the region of the substrate to be provided there. External disturbances, such as those caused by moisture, dust or dirt, can be minimized as a result. Also, a thermal energy dissipation to the environment can be minimized as possible by means of the thermally insulated housing, which contributes to improving the overall energy balance and the operating costs of the thermal treatment device.
Das Gehäuse kann nach einer Weiterbildung der Erfindung ferner eine hinsichtlich der vorgesehenen Laserstrahlung reflektierende Innenoberfläche aufweisen. Zumindest können einzelne Teilbereiche der Innenoberfläche bezüglich der für das thermische Behandeln jeweils vorgesehenen Laserstrahlung reflektierend bzw. hochreflektierend ausgebildet sein. Die reflektierende Innenoberfläche kann insbesondere diffus reflektierend ausgebildet sein, sodass etwaige an der Innenoberfläche reflektierte Strahlen zur Beaufschlagung des Substrats mit Laserstrahlung beitragen können. Als Reflektor kommt hierbei insbesondere eine Beschichtung mit Gold oder das Anbringen entsprechender Goldfolien im Innenraum des Gehäuses infrage. The housing may further comprise, according to a development of the invention, an inner surface which is reflective with respect to the intended laser radiation. At least individual subregions of the inner surface can be designed to be reflective or highly reflective with respect to the respectively provided for the thermal treatment laser radiation. The reflective inner surface can in particular diffusely reflect be formed so that any reflected on the inner surface of the beam can contribute to the exposure of the substrate with laser radiation. As a reflector in this case in particular a coating with gold or the attachment of appropriate gold foils in the interior of the housing in question.
Durch Bereitstellung eines thermisch isolierten Gehäuses kann insbesondere auch das Abkühlen des zuvor auf eine Bearbeitungstemperatur aufgeheizten Substrats in kontrollierter Art und Weise erfolgen. Die thermische Isolierung des Gehäuses kann nämlich einer abrupten Abkühlung des zuvor auf eine Bearbeitungstemperatur aufgeheizten Substrats effektiv entgegenwirken. By providing a thermally insulated housing, the cooling of the substrate, which has previously been heated to a processing temperature, can in particular also be carried out in a controlled manner. Namely, the thermal insulation of the housing can effectively counteract abrupt cooling of the previously heated substrate to a processing temperature.
Unabhängig davon ist ferner denkbar, dass die Laser-Strahlformungseinheit zur Erzeugung mehrerer Teilstrahlen ausgebildet ist, die mittels der Laser- Strahlformungseinheit sowie optional mittels geeigneter Strahlführungs- oder Strahlumlenkeinrichtungen, wie zum Beispiel Spiegeln, diversen refraktiven oder diffraktiven optischen Elementen oder Laserleitenden Fasern das Substrat nicht nur von einer Richtung, sozusagen unidirektional, sondern aus unterschiedlichen Richtungen bi- oder multidirektional mit Strahlung beaufschlagen können. Eine mehrfache und gleichzeitige Beaufschlagung des Substrats mit mehreren Teilstrahlen oder mit dementsprechend von mehreren Laserquellen erzeugten Laserstrahlen kann den Aufheizprozess weiter optimieren bzw. zeitlich beschleunigen. Irrespective of this, it is also conceivable that the laser beam shaping unit is designed to generate a plurality of partial beams that do not support the substrate by means of the laser beam shaping unit and optionally by means of suitable beam guiding or beam deflection devices, such as mirrors, various refractive or diffractive optical elements or laser-conducting fibers can act on radiation from one direction only, so to speak unidirectionally, but from different directions bi- or multidirectional. A multiple and simultaneous exposure of the substrate with a plurality of partial beams or laser beams correspondingly generated by a plurality of laser sources can further optimize or accelerate the heating process.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung zum thermischen Behandeln des Substrats zudem zumindest eine Temperaturmesseinrichtung zur Bestimmung der Temperatur des am Substratträgers angeordneten Substrats auf. Als Temperaturmesseinrichtung kommen hierbei insbesondere Thermoelemente oder Pyrometer infrage. Die Temperaturmesseinrichtung kann hierbei entweder zum abscannenden Messen einzelner oder unterschiedlicher Punkte der Substratfläche ausgebildet sein oder sogar eine transversale räumliche Temperaturverteilung messen. Mittels der Temperaturmesseinrichtung kann der thermische Behandlungsprozess in situ gesteuert und geregelt, insbesondere der gemessenen Temperatur entsprechend nachgeregelt werden. So können für unterschiedliche Temperaturbereiche des Substrats während dessen Aufheizens unterschiedliche Laserstrahlintensitäten, unterschiedliche Pulsdauern oder Repetitionsraten vorgesehen und dementsprechend eingestellt werden. According to a further embodiment, the device for the thermal treatment of the substrate also has at least one temperature measuring device for determining the temperature of the substrate arranged on the substrate carrier. As a temperature measuring device here in particular thermocouples or pyrometer in question. In this case, the temperature measuring device can either be designed for the scanning measurement of individual or different points of the substrate surface or even measure a transverse spatial temperature distribution. By means of the temperature measuring device, the thermal treatment process can be controlled and regulated in situ, in particular the measured temperature can be readjusted accordingly. Thus, for different temperature ranges of the substrate during its heating, different laser beam intensities, different pulse durations or repetition rates can be provided and adjusted accordingly.
Ferner ermöglicht die Temperaturmessung eine Prozesskontrolle. Sollte ein Substrat etwa innerhalb einer vorgegebenen Behandlungszeit einen vorgesehene Temperatur nicht erreichen, so ist dies ein Indiz dafür, dass eine Fehlfunktion der Vorrichtung vorliegt, die ein Eingreifen des Anwenders erfordert. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist insoweit ferner eine Steuereinrichtung vorgesehen, die zumindest zur Ansteuerung der Laserquelle und/oder der Laser-Strahlformungseinheit ausgebildet ist. Mittels der Steuereinrichtung können insbesondere die von der Temperaturmesseinrichtung ermittelten Messsignale ausgewertet und entsprechend der gemessenen Temperatur zur Ansteuerung von Laserquelle und/oder Laser-Strahlformungseinheit verwendet werden. Furthermore, the temperature measurement allows a process control. If a substrate does not reach a designated temperature within a predetermined treatment time, this is an indication that there is a malfunction of the device that requires intervention by the user. According to a further embodiment, a control device is furthermore provided insofar as it is designed at least for driving the laser source and / or the laser beam shaping unit. By means of the control device, in particular the measurement signals determined by the temperature measuring device can be evaluated and used in accordance with the measured temperature for driving the laser source and / or laser beam shaping unit.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest eine der nachfolgenden genannten Parameter: Strahlintensität, Stahlleistungsdichte, räumliche transversale Intensitätsverteilung, insbesondere im Bereich der Substrataufnahme bzw. im Bereich des Substrats, die Pulsdauer der Laserstrahlung bei Verwendung gepulster Laserstrahlung sowie die Repetitionsrate der gepulsten Laserstrahlung in Abhängigkeit der absoluten Temperatur des Substrats und/oder in Abhängigkeit einer transversalen räumlichen Temperaturverteilung des Substrats variierbar. Die Veränderung der genannten Parameter, betreffend die Intensität, die Pulsdauer als auch die Repetitionsrate der Laserstrahlung können insbesondere durch Messung der am Substrat vorherrschenden Temperatur und mittels der Steuereinrichtung derart variiert und modifiziert werden, dass das Substrat über seine gesamte Substratfläche, möglichst unter Minimierung thermischer Spannung im Substrat homogen und/oder kontinuierlich aufgeheizt bzw. auf einer Bearbeitungstemperatur gehalten werden kann. According to a further embodiment of the invention, at least one of the following parameters is: beam intensity, steel power density, spatial transverse intensity distribution, in particular in the region of the substrate holder or in the region of the substrate, the pulse duration of the laser radiation using pulsed laser radiation and the repetition rate of the pulsed laser radiation in dependence the absolute temperature of the substrate and / or in dependence of a transverse spatial temperature distribution of the substrate variable. The change in the parameters mentioned, with regard to the intensity, the pulse duration and the repetition rate of the laser radiation, can be varied and modified in particular by measuring the temperature prevailing at the substrate and by means of the control device such that the substrate extends over its entire substrate surface, if possible while minimizing thermal stress can be homogeneously and / or continuously heated in the substrate or maintained at a processing temperature.
Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass bei denkbaren und nicht unvermeidlichen räumlichen Schwankungen der lokalen Intensitätsverteilung des am Substrat vorliegenden Laserstrahls die Pulsdauer reduziert und/oder die Repetitionsrate der gepulsten Laserstrahlung verringert wird. Auf diese Art und Weise kann das Substrat sozusagen aufgeheizt werden, wobei das Substrat in den Pausen zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen thermisch derart relaxieren kann, dass etwaige räumlich inhomogen aufgeheizte Flächen- oder Volumenabschnitte des Substrats durch Wärmeleitung innerhalb des Substrats ausgeglichen werden können. In this case, it is provided in particular that the pulse duration is reduced and / or the repetition rate of the pulsed laser radiation is reduced in the case of conceivable and unavoidable spatial fluctuations of the local intensity distribution of the laser beam present on the substrate. In this way, the substrate can be heated so to speak, wherein the substrate can thermally relax in the intervals between successive pulses such that any spatially inhomogeneously heated surface or volume portions of the substrate can be compensated by heat conduction within the substrate.
Eine derartige räumliche und thermische Relaxation kann etwa beim thermischen Behandeln oder Tempern eines Saphirsubstrats von Bedeutung sein, da Saphir ein mit in etwa 40 W/(mK) bei Zimmertemperatur eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, die zwar bei ansteigender Temperatur sinkt, bei etwa 1200 °C aber immer noch in etwa 4 W/(mK) aufweist. Such spatial and thermal relaxation may be important in, for example, the thermal treatment or annealing of a sapphire substrate, since sapphire has a comparatively high thermal conductivity of about 40 W / (mK) at room temperature, which decreases with increasing temperature, at about 1200 ° C but still in about 4 W / (mK) has.
Anstelle oder ergänzend zu einer Variation von Pulsdauer oder Repetitionsrate ist ferner denkbar, die Gesamtlaserintensität herabzusetzen, wodurch der Aufheizprozess verzögert werden kann, das Substrat aber weitaus besser thermisch relaxieren kann. Instead of or in addition to a variation of pulse duration or repetition rate, it is further conceivable to reduce the overall laser intensity, as a result of which the heating process can be delayed, but the substrate can relax thermally much better.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zum Tempern von Saphirsubstraten, etwa von Saphirscheiben vorgesehen. Insoweit ist die Vorrichtung dazu geeignet und dafür ausgelegt, dass zumindest eine bzw. eine Vielzahl von Saphirsubstraten auf eine Temperatur von zumindest 1800 °C innerhalb einiger oder weniger Sekunden aufzuheizen. Mit der Vorrichtung können sogar Bearbeitungstemperaturen, zum Tempern oder Annealen von zumindest 1900 °C, 1950 °C oder sogar von etwa 2000 °C erreicht werden. Die derart hohe Bearbeitungstemperaturen sind für ein zügiges Bearbeiten bzw. für ein zügiges Tempern der Saphirsubstrate von Vorteil. The device according to the invention is intended in particular for tempering sapphire substrates, such as sapphire disks. In that regard, the Apparatus adapted and adapted to heat at least one or a plurality of sapphire substrates to a temperature of at least 1800 ° C within a few or a few seconds. With the device even processing temperatures, for annealing or annealing of at least 1900 ° C, 1950 ° C or even from about 2000 ° C can be achieved. Such high processing temperatures are advantageous for rapid processing or rapid tempering of the sapphire substrates.
Die infolge der Aufheizung in Gang gesetzten Prozesse zum Ausheilen von Oberflächenstörsteilen oder Defekten können bei derartigen Temperaturen bereits nach einigen wenigen Sekunden nahezu vollständig abgeschlossen sein. Auf diese Art und Weise können innerhalb einer vorgegebenen Zeit eine Vielzahl von Saphirsubstraten, etwa im Batch-Betrieb, das heißt nacheinander getempert werden. The processes initiated as a result of heating to heal surface perturbations or defects can be almost completely finished at such temperatures after just a few seconds. In this way, a large number of sapphire substrates can be annealed within a predetermined time, for example in batch mode, that is to say successively.
Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu behandelnden Substrate können beliebige Geometrien aufweisen. Entsprechend der Geometrie des zu behandelnden Substrats sind vorrichtungstechnisch jeweils auf die Substratgeometrie abgestimmte Substrataufnahmen bzw. dementsprechend ausgestaltete Substratträger vorzusehen. Beispielsweise kann das Substrat eine kreisrunde oder rechteckige planare Grundgeometrie mit Kantenlängen im Bereich von 5 cm bis 20 cm, typischerweise im Bereich zwischen 5 cm und 10 cm aufweisen. Bei kreisrunden oder ovalen Grundgeometrien sind Kreisoder Ovaldurchmesser im Bereich von 2 bis 1 5 cm denkbar. Die Dicke der zu behandelnden Substrate kann typischerweise zwischen 0,2 mm bis einigen Millimeter, so etwa bis 3 mm variieren. Typischerweise kann das Substrat eine Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 1 mm aufweisen. The substrates to be treated with the device according to the invention may have any desired geometries. Corresponding to the geometry of the substrate to be treated, substrate receptacles or, respectively, substrate carriers adapted in each case to the substrate geometry are to be provided. For example, the substrate may have a circular or rectangular planar basic geometry with edge lengths in the range of 5 cm to 20 cm, typically in the range between 5 cm and 10 cm. For circular or oval basic geometries, circle or oval diameters in the range of 2 to 1 5 cm are conceivable. The thickness of the substrates to be treated may typically vary between 0.2 mm to a few millimeters, say up to 3 mm. Typically, the substrate may have a thickness in the range of 0.5 mm to 1 mm.
So ist nach einem weiteren Aspekt ein Verfahren zur thermischen Behandlung zumindest eines Substrats vorgesehen. Das Verfahren stellt hierbei typischerweise die bestimmungsgemäße Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung zum thermischen Behandeln des Substrats dar. Verfahrensmäßig ist insoweit für die thermische Behandlung des zumindest einen Substrats vorgesehen, das Substrat an einer Substrataufnahme eines Substratträgers anzuordnen, schließlich eine auf die Substrataufnahme, mithin auf das Substrat gerichtete Laserstrahlung mittels einer Laserquelle zu erzeugen sowie, ausgehend von der erzeugten Laserstrahlung, typischerweise mittels einer Laser-Strahlformungseinheit eine transversale räumliche Intensitätsverteilung der Laserstrahlung im Bereich einer transversalen Ausdehnung der Substrataufnahme bzw. im Bereich der transversalen bzw. planaren Ausdehnung des Substrats zu erzeugen, welche allenfalls lokale Intensitätsmaximal oder lokale Intensitätsminima aufweist, in welchen die Intensität der Laserstrahlung um weniger als 20 % von einer über die transversale Ausdehnung der Substrataufnahme bzw. über die transversale bzw. planare Ausdehnung des Substrats gemittelten Intensität abweicht. Indem die transversale räumliche Intensitätsverteilung der Laserstrahlung im Bereich der transversalen Ausdehnung der Substrataufnahme bzw. im Bereich der transversalen bzw. planaren Ausdehnung des Substrats liegt, wird die gesamte Substratfläche vollständig und gleichzeitig mit Laserstrahlung der geforderten Homogenität beaufschlagt. Es ist hierdurch möglich, das Substrat mittels Absorption von Laserstrahlung auf einer geforderte Temperatur aufzuheizen ohne das Substrat relativ zur Laserquelle oder zur Strahlformungseinheit bewegen zu müssen. Dies lässt sich im Unterschied zu die Substratfläche etwa abscannenden Verfahren auch prozesstechnisch besonders leicht realisieren. Thus, according to a further aspect, a method for the thermal treatment of at least one substrate is provided. In this case, the method typically represents the intended use of the device described above for the thermal treatment of the substrate In this respect, it is provided for the thermal treatment of the at least one substrate to arrange the substrate on a substrate receptacle of a substrate carrier, finally to generate a laser radiation directed onto the substrate receptacle, thus onto the substrate, by means of a laser source and, starting from the generated laser radiation, typically by means of a laser Beam shaping unit to produce a transverse spatial intensity distribution of the laser radiation in the region of a transverse extent of the substrate recording or in the region of the transversal or planar extent of the substrate, which has at most local intensity maximum or local intensity minima, in which the intensity of the laser radiation by less than 20% deviates from an intensity averaged over the transverse extent of the substrate receptacle or over the transversal or planar extent of the substrate. Since the transverse spatial intensity distribution of the laser radiation lies in the region of the transverse extent of the substrate receptacle or in the region of the transverse or planar extent of the substrate, the entire substrate surface is subjected to the required homogeneity completely and simultaneously with laser radiation. It is thereby possible to heat the substrate to a required temperature by means of absorption of laser radiation without having to move the substrate relative to the laser source or to the beam shaping unit. In contrast to the substrate surface, such as by means of scanning processes, this can also be implemented particularly easily in terms of process technology.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist das beschriebene Verfahren insbesondere zum Aufheizen bzw. zum Tempern eines Saphirsubstrats vorgesehen. Das Saphirsubstrat wird hierbei mittels der Laserstrahlung auf eine Bearbeitungstemperatur von zumindest 1800 °C aufgeheizt. Bei Erreichen einer derart hohen Bearbeitungstemperatur kann die Verweilzeit bis zur zufriedenstellenden oder vollständigen Beseitigung von Oberflächenstörsteilen des Saphirsubstrats gegenüber herkömmlichen Behandlungsverfahren merklich verkürzt werden. According to a further embodiment, the method described is provided in particular for heating or for tempering a sapphire substrate. The sapphire substrate is heated by the laser radiation to a processing temperature of at least 1800 ° C. Upon reaching such a high processing temperature, the residence time may be sufficient for satisfactory or complete removal of surface perturbation of the sapphire substrate are significantly shortened compared to conventional treatment methods.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann die Bearbeitungstemperatur auch noch weitaus höher liegen. So ist hierbei insbesondere vorgesehen, das Substrat mittels der Laserstrahlung auf eine Bearbeitungstemperatur von zumindest 1900 °C, von zumindest 1950 °C oder auf eine Bearbeitungstemperatur von zumindest oder von in etwa 2000 °C aufzuheizen. Bei einer Bearbeitungstemperatur von in etwa 2000 °C kann der Temper- bzw. Ausheilprozess der Oberflächendefekte des Saphirkristalls auf einige wenige Sekunden, auf etwa 2 Sekunden reduziert werden, sodass sich im Vergleich zum Stand der Technik, welcher Verweilzeiten von einigen Stunden vorsieht, eine immense Beschleunigung des Temperprozesses erreicht werden kann. Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird das Substrat innerhalb eines Zeitraums von weniger als 5 Minuten, weniger als 1 Minute, weniger als 30 Sekunden, weniger als 10 Sekunden oder innerhalb eines Zeitraums von weniger als 5 Sekunden, typischerweise sogar etwa innerhalb von 2 Sekunden auf die Bearbeitungstemperatur erhitzt. Aufgrund des flächenmäßig überaus homogenen Energieeintrags in das Substrat können derart kurze Aufheizzeiten erzielt werden. Sofern derart kurze, im Sekundenbereich liegende Aufheizzeiten dennoch einmal zu thermischen Spannungen innerhalb des zu behandelnden Substrats führen sollten, ist jederzeit denkbar, die Laserstrahlintensität sowie die Repetitionsrate als auch die Pulsdauer gepulster Laserstrahlung zu reduzieren. Hierdurch können sich geringfügig längere Aufheizzeiträume ergeben, die aber allenfalls im Bereich einiger weniger Minuten liegen sollten. According to a further embodiment, the processing temperature can also be much higher. In this case, provision is made in particular to heat the substrate by means of the laser radiation to a processing temperature of at least 1900 ° C., of at least 1950 ° C. or to a processing temperature of at least or approximately 2000 ° C. At a processing temperature of about 2000 ° C, the tempering or annealing process of the surface defects of the sapphire crystal can be reduced to a few seconds, to about 2 seconds, so that compared to the prior art, which provides residence times of a few hours, an immense Acceleration of the annealing process can be achieved. In a further embodiment of the method, the substrate will be within a time period of less than 5 minutes, less than 1 minute, less than 30 seconds, less than 10 seconds, or within a time period of less than 5 seconds, typically even within about 2 seconds the processing temperature is heated. Due to the extremely homogeneous energy input into the substrate, such short heating times can be achieved. If such short heating times, which are within a few seconds, should nevertheless lead to thermal stresses within the substrate to be treated, it is always conceivable to reduce the laser beam intensity and the repetition rate as well as the pulse duration of pulsed laser radiation. This may result in slightly longer heating periods, but at best should be in the range of a few minutes.
Schließlich ist nach einer Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass die zeitlich gemittelte Leistungsdichte der Laserstrahlung am Substrat mit ansteigender Temperatur des Substrats gesteigert wird. Eine derartige Leistungssteigerung der Laserstrahlung ergibt sich insbesondere durch die Temperaturabhängigkeit der Emissivität des zu behandelnden Substrats, typischerweise des Saphirsubstrats. Erreicht Saphir zum Beispiel eine vorgegebene Temperatur im Bereich von etwa 1600 °C bis 1800 °C, so werden im Saphirkristall Ladungsträger erzeugt oder generiert, wodurch sich die optischen Eigenschaften des Saphirs bzw. des entsprechenden Saphirsubstrats merklich ändern. Finally, it is provided according to a development of the method that the time-averaged power density of the laser radiation is increased at the substrate with increasing temperature of the substrate. Such an increase in the power of the laser radiation results in particular from the temperature dependence of the emissivity of the substrate to be treated, typically the sapphire substrate. For example, if sapphire reaches a predetermined temperature in the range of about 1600 ° C. to 1800 ° C., charge carriers are generated or generated in the sapphire crystal, whereby the optical properties of the sapphire or the corresponding sapphire substrate change markedly.
Sowohl die Absorption als auch die Emissivität des Saphirsubstrats steigen mit größer werdender Temperatur nahezu abrupt an. Die Emissivität bezeichnet gemeinhin die Wärmeabstrahlung der Oberfläche des zu behandelnden Substrats im Verhältnis zu einem entsprechenden schwarzen Körper bei gleicher Oberflächentemperatur. Die Emissivität ist somit das Maß für die Fähigkeit einer Oberfläche, absorbierte Wärme wieder als Strahlung abzugeben. Aufgrund des Anstiegs der Emissivität kann trotz steigender Laserstrahlintensität kaum noch eine merkliche Temperaturerhöhung im Saphirkristall erreicht werden. Both the absorption and the emissivity of the sapphire substrate increase almost abruptly as the temperature increases. The emissivity commonly refers to the heat radiation of the surface of the substrate to be treated in relation to a corresponding black body at the same surface temperature. Emissivity is thus the measure of a surface's ability to re-emit absorbed heat as radiation. Due to the increase in the emissivity hardly any appreciable temperature increase can be achieved in the sapphire crystal despite increasing laser beam intensity.
Der temperaturbedingte Anstieg der Emissivität führt somit zu einer Art thermischem Selbstbegrenzungseffekt. Das Erzeugen der Ladungsträger im Saphirkristall bewirkt somit einen Regelungsmechanismus, der verhindert, dass das Saphirsubstrat infolge einer zu hohen Energiedeposition seinen Schmelzpunkt erreicht. Je näher die Temperatur des Substrats dem Schmelzpunkt von Saphir kommt, desto höher ist die Emissivität und desto mehr eingekoppelte Wärmeenergie wird vom Saphirsubstrat wieder an die Umgebung abgegeben. The temperature-induced increase in emissivity thus leads to a kind of thermal self-limiting effect. The generation of the charge carriers in the sapphire crystal thus brings about a regulating mechanism which prevents the sapphire substrate from reaching its melting point as a result of an excessive energy deposition. The closer the temperature of the substrate to the melting point of sapphire, the higher the emissivity and the more coupled thermal energy is released back to the environment by the sapphire substrate.
Schließlich ist nach einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass zumindest eine der nachfolgend genannten Parameter, die Strahlintensität, die Leistungsdichte, die räumliche transversale Intensitätsverteilung, die Pulsdauer und/oder die Repetitionsrate der Laserstrahlung in Abhängigkeit der absoluten Temperatur des Substrats und/oder in Abhängigkeit einer transversalen räumlichen Temperaturverteilung des Substrats variiert, während des Aufheizens oder während einer Halteperiode bei vorgegebener Bearbeitungstemperatur etwa mittels der Steuereinrichtung aktiv geregelt oder nachjustiert wird. Finally, according to a further embodiment, it is provided that at least one of the following parameters, the beam intensity, the power density, the spatial transverse intensity distribution, the pulse duration and / or the repetition rate of the laser radiation as a function of the absolute temperature of the substrate and / or in response to a transversal spatial temperature distribution of the substrate varies during heating or during a holding period at a given Processing temperature is actively controlled or readjusted approximately by means of the control device.
Kurzbeschreibung der Figuren Brief description of the figures
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Hierbei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum thermischen Other objects, features and advantageous aspects of the present invention will be described in the following description of an embodiment with reference to the drawings. 1 shows a schematic representation of the device for thermal
Behandeln eines Substrats,  Treating a substrate,
Fig. 2 eine perspektivische schematische Seitenansicht eines etwa kreisrunden Substrats, 2 is a perspective schematic side view of an approximately circular substrate,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der über der Substratfläche zu erzeugenden räumlichen Intensitätsverteilung, 3 shows a schematic representation of the spatial intensity distribution to be generated over the substrate surface,
Fig. 4 ein Temperatur-Zeit-Diagramm zur Darstellung einer Aufheizprozedur, einer Halteprozedur und einer Abkühlprozedur, 4 is a temperature-time diagram illustrating a heating procedure, a holding procedure and a cooling procedure.
Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Temperaturabhängigkeit der Fig. 5 is a diagram illustrating the temperature dependence of
Emissivität von Saphir, Fig. 6 ein weiteres schematisches Diagramm zur Darstellung der bei vorgegebener Laserleistung maximal erreichbaren Emissivity of sapphire, Fig. 6 is a further schematic diagram illustrating the maximum achievable at a given laser power
Bearbeitungstemperatur des Substrats, Processing temperature of the substrate,
Fig. 7 ein berechnetes Diagramm der zeitlichen Entwicklung Fig. 7 is a calculated diagram of the temporal evolution
punktuellen Temperaturabweichung in der Substratfläche, Fig. 8 ein der Fig. 7 Vergleichbares Diagramm jedoch über eine weitaus größerer Fläche. punctual temperature deviation in the substrate surface, Fig. 8 is a similar to FIG. 7 diagram over a much larger area.
Detaillierte Beschreibung Detailed description
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte thermische Behandlungsvorrichtung 1 weist ein Gehäuse 32 auf, welches bevorzugt thermisch isoliert ist und ggf. mit einer die verwendete Laserstrahlung reflektierenden Innenoberfläche 33 zumindest abschnittsweise etwa in Form einer Goldfolie oder Goldbeschichtung versehen ist. Die Vorrichtung zum thermischen Behandeln 1 weist ferner einen Substratträger 30 mit definierten Substrataufnahmen 34 auf, die der Anordnung eines in Fig. 1 lediglich schematisch dargestellten Substrats 10 auf dem Substratträger 30 dient. Neben dem Substratträger ist zumindest eine Laserquelle 20 vorgesehen, die typischerweise außerhalb des Gehäuses 32 angeordnet ist. Die Laserquelle 20 ist zur Erzeugung einer Laserstrahlung 21 ausgebildet, deren Wellenlänge abgestimmt auf das Material des Substrats ist und die typischerweise in hohem Maße vom Substrat zu dessen thermischer Erwärmung absorbierbar ist. Zudem ist zumindest eine Laser-Strahlformungseinheit 22 vorgesehen, mittels derer die von der Laserquelle 20 erzeugte Laserstrahlung 21 , etwa in einen aufgeweiteten Laserstrahl 23 transformiert werden kann. The thermal treatment apparatus 1 shown schematically in FIG. 1 has a housing 32, which is preferably thermally insulated and optionally provided with an inner surface 33 which reflects the laser radiation used, at least in sections, for example in the form of a gold foil or gold coating. The device for thermal treatment 1 furthermore has a substrate carrier 30 with defined substrate receptacles 34, which serves to arrange a substrate 10, which is shown only schematically in FIG. 1, on the substrate carrier 30. In addition to the substrate carrier, at least one laser source 20 is provided, which is typically arranged outside of the housing 32. The laser source 20 is designed to produce a laser radiation 21 whose wavelength is tuned to the material of the substrate and which is typically highly absorbable by the substrate for its thermal heating. In addition, at least one laser beam shaping unit 22 is provided by means of which the laser radiation 21 generated by the laser source 20 can be transformed, for example, into an expanded laser beam 23.
Die Laser-Strahlformungseinheit kann hierzu mehrere strahlablenkende optische Elemente, wie zum Beispiel Spiegel oder ganze Spiegelarrays, also refraktive bzw. diffraktive optische Elemente zur Strahlformung aufweisen. Die Laser-Strahlformungseinheit 22 ist zusammen mit der Laserquelle 20 und deren Abstrahlcharakteristik dazu ausgebildet, eine geforderte räumliche transversale Intensitätsverteilung 24 auf der Oberseite oder Oberfläche 1 1 des in Fig. 2 vergrößert und schematisch dargestellten Substrats 10 bereitzustellen. Die Strahlformungseinheit kann insbesondere ein gesondert auf den hier vorgesehenen Einsatzzweck abgestimmtes oder konzipiertes Linsensystem aufweisen, welches zusammen mit der Laserquelle auf der gesamten Substratfläche eine räumliche Laser-Intensitätsverteilung mit der geforderten Homogenität bereitstellt. Das in Fig. 2 skizzierte etwa kreisrunde planare Substrat 10 weist eine der Laserstrahlung 21 zugewandte Oberfläche 1 1 , einen umlaufenden, etwa kreisrunden Seitenrand 12 sowie eine der Oberfläche 1 1 gegenüberliegende Unterseite 13 auf. Abweichend hiervon sind natürlich rechteckige oder quadratische sowie mehreckige Grundgeometrien des Substrats 10 denkbar. For this purpose, the laser beam-shaping unit can have a plurality of beam-deflecting optical elements, such as, for example, mirrors or entire mirror arrays, ie refractive or diffractive optical elements for beam shaping. The laser beam shaping unit 22, together with the laser source 20 and its emission characteristic, is designed to provide a required spatial transverse intensity distribution 24 on the upper side or surface 11 of the substrate 10 which is enlarged and shown schematically in FIG. The beam-shaping unit can in particular be a lens system tuned or designed separately for the purpose intended here have, which together with the laser source on the entire substrate surface provides a spatial laser intensity distribution with the required homogeneity. The approximately circular planar substrate 10 sketched in FIG. 2 has a surface 11 which faces the laser radiation 21, a peripheral, approximately circular side edge 12 and an underside 13 lying opposite the surface 11. Deviating from this, of course, rectangular or square and polygonal basic geometries of the substrate 10 are conceivable.
Die Laser-Strahlformungseinheit 22 ist derart ausgestaltet, dass auf dem Substrat 10 bzw. auf der Substratoberfläche 1 1 , mithin im Bereich der Substrataufnahme 34 des Substratträgers 30 ein über die transversale Ausdehnung der Substrataufnahme 34 bzw. über die transversale Ausdehnung der Substratoberfläche 1 1 eine möglichst homogene räumliche zweidimensionale Intensitätsverteilung 24 gegeben ist. The laser beam shaping unit 22 is configured in such a way that on the substrate 10 or on the substrate surface 11, and thus in the region of the substrate receptacle 34 of the substrate carrier 30, a transverse extension of the substrate receptacle 34 or across the transverse extent of the substrate surface 11 is achieved as homogeneous as possible spatial two-dimensional intensity distribution 24 is given.
So zeigt die in Fig. 3 schematisch skizzierte transversale Intensitätsverteilung ein in etwa abgeflachtes gaußförmiges oder hutprofilartiges Strahlprofil. Der Außenrand 12 des Substrats 10 ist dort gestrichelt wiedergegeben. Innerhalb jenes gestrichelten Bereichs ist die räumliche zweidimensionale Intensitätsverteilung 24 der Laserstrahlung 21 weitgehend konstant und über die entsprechende Fläche im Wesentlichen homogen. In der Praxis weist ein optisches Strahlprofil jedoch stets gewisse lokale Intensitätsmaxima 26a bzw. lokale Intensitätsminima 26b auf. Die in Fig. 3 lediglich schematisch skizzierte Intensitätsmaxima 26a oder Intensitätsminima 26b weichen von der mit Bezugsziffer 25 angezogenen rechnerisch ermittelten und über die Oberfläche 1 des Substrats 10 gemittelten Intensität um weniger als 20 %, typischerweise um weniger als 10 %, vorzugsweise um weniger als 5 % oder weiter vorzugsweise um weniger als 2 % ab. Indem beispielsweise für ein Saphirsubstrat 10 ein entweder im Pulsbetrieb oder im cw-Modus betriebener CO2-Laser bei einer Wellenlänge von etwa 10,8 pm verwendet wird, kann unter Realisierung der geforderten räumlichen Homogenität der Intensitätsverteilung 24 ein überaus gleichmäßiges Aufheizen des Substrats 10 erfolgen. Thus, the transverse intensity distribution sketched schematically in FIG. 3 shows an approximately flattened Gaussian or hat profile-like beam profile. The outer edge 12 of the substrate 10 is shown in dashed lines there. Within this dashed area, the spatial two-dimensional intensity distribution 24 of the laser radiation 21 is substantially constant and essentially homogeneous over the corresponding area. In practice, however, an optical beam profile always has certain local intensity maxima 26a or local intensity minima 26b. The intensity maxima 26a or intensity minima 26b sketched only schematically in FIG. 3 deviate from the arithmetically determined intensity averaged over the surface 1 of the substrate 10 by reference number 25 by less than 20%, typically by less than 10%, preferably by less than 5 % or more preferably less than 2%. By using, for example, a sapphire substrate 10 in either a pulsed or cw mode operated CO 2 laser at a wavelength of about 10.8 pm, can realize the required spatial homogeneity of the intensity distribution 24 is a very uniform heating of the substrate 10 ,
Bei zum Beispiel einer Laserleistung von 1 kW, bezogen auf die gesamte, etwa 20 cm2 betragende Fläche eines beispielhaften Substrats 10 mit einer Dicke von 0,3 mm, ist in Fig. 4 die Substrattemperatur gegenüber der Zeit aufgetragen. Die Substrattemperatur wird während des Behandlungsprozesses typischerweise mit einer als Pyrometer ausgestalteten Temperaturmesseinrichtung 36 gemessen. Hierfür kommen typischerweise Pyrometer zum Einsatz, deren Arbeitsbereich außerhalb der Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung 21 liegt. Wie im Diagramm der Fig. 4 dargestellt, kann mittels der in Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung ein besonders rasches Aufheizen des Substrats 10 auf eine Temperatur nahe 2000 °C innerhalb weniger Sekunden, typischerweise in weniger als 4 Sekunden erfolgen. For example, for a laser power of 1 kW, based on the total area of about 20 cm 2 of an exemplary substrate 10 having a thickness of 0.3 mm, in FIG. 4, the substrate temperature is plotted against time. The substrate temperature is typically measured during the treatment process with a temperature measuring device 36 configured as a pyrometer. For this purpose, pyrometers are typically used whose working range is outside the wavelength of the laser radiation 21 used. As shown in the graph of FIG. 4, by means of the apparatus described in FIG. 1, the substrate 10 can be heated particularly rapidly to a temperature close to 2000 ° C. within a few seconds, typically in less than 4 seconds.
Das Substrat kann alsdann für einige Sekunden auf jener Bearbeitungstemperatur verweilen, bis die zu beseitigenden Oberflächendefekte effektiv ausgeheilt sind. Eine typische Verweilzeit liegt hierbei etwa im Bereich zwischen 5 und 8 Sekunden. Hiernach kann die Intensität der Laserstrahlung 21 entweder kontrolliert reduziert oder abrupt auf 0 gesetzt werden, sodass das behandelte Saphirsubstrat vergleichsweise rasch innerhalb des thermisch isolierten Gehäuses 32 bis zu einer weiteren Bearbeitung abkühlen kann. Die gesamte Temper- oder Annealprozedur kann insoweit innerhalb einer oder innerhalb einiger weniger Minuten durchgeführt werden. Die in Fig. 1 schematisch skizzierte Vorrichtung 1 weist typischerweise auch eine Steuereinrichtung 38 auf, die mit der Temperaturmesseinrichtung 36 gekoppelt und zur Verarbeitung der von der Temperaturmesseinrichtung erzeugbaren Temperatursignale ausgebildet ist. Die Steuereinrichtung 38 kann ferner mit der Laserquelle und 20 der Laser-Strahlformungseinheit 22 gekoppelt sein, um etwa in Abhängigkeit einer gemessenen Temperatur die Laserleistung, absolute Intensität, Repetitionsrate und/oder Pulsdauer als auch die räumliche Intensitätsverteilung kontrolliert variieren zu können. Auf diese Art und Weise kann sogar während des Aufheizprozesses oder während der Haltezeit bei erreichter Bearbeitungstemperatur auf etwaige räumliche Temperaturinhomogenitäten im Bereich des Substrats 10 korrigierend reagiert werden. The substrate may then remain at that processing temperature for a few seconds until the surface defects to be removed are effectively cured. A typical residence time is approximately in the range between 5 and 8 seconds. Thereafter, the intensity of the laser radiation 21 can either be controlled reduced or abruptly set to 0, so that the treated sapphire substrate can cool relatively quickly within the thermally insulated housing 32 until further processing. The entire tempering or annealing procedure can be carried out within one or within a few minutes. The device 1 sketched schematically in FIG. 1 typically also has a control device 38 which is coupled to the temperature measuring device 36 and for processing the temperature measurement device is formed producible temperature signals. The control device 38 can also be coupled to the laser source 20 and the laser beam shaping unit 22 in order to be able to vary the laser power, absolute intensity, repetition rate and / or pulse duration as well as the spatial intensity distribution in a controlled manner as a function of a measured temperature. In this way, even during the heating process or during the holding time when the processing temperature has been reached, any possible spatial temperature inhomogeneities in the region of the substrate 10 can be corrected.
In Fig. 5 ist schließlich in schematischer Darstellung die Abhängigkeit der Emissivität eines Saphirsubstrats von der Temperatur dargestellt. Es zeigt sich hierbei, dass die Emissivität mit ansteigender Temperatur zunächst stetig fällt, bevor sie bei etwa 1750 °C mit weiter ansteigender Temperatur wieder stark ansteigt. Dieser finale Anstieg der Emissivität ist der Erzeugung von Ladungsträgern in jenem erhöhten und der Bearbeitungstemperatur nahekommenden Temperaturbereich geschuldet. In Fig. 5, finally, the dependence of the emissivity of a sapphire substrate is shown by the temperature in a schematic representation. It can be seen here that the emissivity initially drops steadily with increasing temperature, before it rises again sharply at around 1750 ° C with a further increase in temperature. This final increase in emissivity is due to the generation of charge carriers at that elevated temperature range approaching the processing temperature.
Steigt die Emissivität deutlich an, so wird ein entsprechend erhöhter Anteil der in das Saphirsubstrat eingekoppelten thermischen Energie wieder in Form von thermischer Strahlung abgegeben. Dies hat zur Folge, dass trotz ansteigender Strahlintensität oder ansteigender Leistungsdichte kaum eine merkliche Temperaturerhöhung im Saphirkristall erreicht werden kann. Dieses Verhalten spiegelt sich ferner auch im Diagramm der Fig. 6 wider. Dort sind für eine vorgegebene Substratgeometrie die maximal erreichbaren Bearbeitungstemperaturen gegenüber der jeweils eingesetzten Licht- oder Laserleistung aufgetragen. Man erkennt hier, dass bis zu einem Leistungsbereich von in etwa 350 Watt die maximal erreichbare Behandlungstemperatur in etwa linear ansteigt. Bei einer Leistung von in etwa 350 Watt wird für die hier zugrundeliegende konkrete Substratgeometrie eine Bearbeitungstemperatur von etwas mehr als 1800 °C erreicht. Wie zum Diagramm der Fig. 5 bereits erläutert, steigt ab dieser Temperatur die mittlere Emissivität des Saphirsubstrats 10 abrupt an. Infolge dessen flacht die in Fig. 6 gezeigte Kurve stark ab, sodass zum Beispiel eine Verdopplung der aufgewendeten Laserleistung auf in etwa 700 Watt lediglich mit einer Temperaturerhöhung auf in etwa 1900 °C einhergeht. Der in Fig. 6 dargestellte Graph nähert sich in etwa asymptotisch der 2000 °C-Marke an, die im vorliegenden konkreten Ausführungsbeispiel bei einer Laserleistung von etwa 2 kW erreicht wird. If the emissivity increases significantly, a correspondingly increased proportion of the thermal energy coupled into the sapphire substrate is released again in the form of thermal radiation. This has the consequence that, despite increasing beam intensity or increasing power density hardly a significant increase in temperature in the sapphire crystal can be achieved. This behavior is also reflected in the diagram of FIG. 6. There, the maximum achievable processing temperatures are plotted against the particular light or laser power used for a given substrate geometry. It can be seen here that up to a power range of about 350 watts, the maximum achievable treatment temperature rises approximately linearly. At a power of about 350 watts, a processing temperature of slightly more than 1800 ° C is achieved for the concrete substrate geometry underlying this. As already explained with reference to the diagram of FIG. 5, the average emissivity of the sapphire substrate 10 rises abruptly from this temperature. As a result, the curve shown in FIG. 6 levels off sharply, so that, for example, a doubling of the laser power used to approximately 700 watts is accompanied by an increase in temperature to approximately 1900 ° C. The graph shown in FIG. 6 approximates asymptotically to the 2000 ° C. mark, which in the present concrete exemplary embodiment is achieved with a laser power of approximately 2 kW.
Das Erzeugen von Ladungsträgern im Bereich oder nahe der Bearbeitungstemperatur führt somit zu einem Temperatur- Selbstbegrenzungseffekt, sodass trotz überaus hoher eingekoppelter Laserstrahlintensität der Schmelzpunkt des Substrats, vorliegend etwa eines Saphirsubstrats nicht erreicht wird. The generation of charge carriers in the region or close to the processing temperature thus leads to a temperature self-limiting effect, so that despite an extremely high coupled-in laser beam intensity, the melting point of the substrate, in the present example, a sapphire substrate is not achieved.
In Fig. 7 ist das zeitliche Temperatur-Relaxationsverhalten eines 0,3 mm dicken Saphirsubstrats skizziert. Das Substrat hat zu einem Zeitpunkt t=0 in einem Flächensegment von 1 mm Kantenlänge oder Durchmesser eine Temperatur, die um 1000 K geringer ist, als die Temperatur angrenzender Flächensegmente, welche kontant auf jenem Temperaturniveau gehalten werden. Die einzelnen Graphen spiegeln hierbei die zeitliche Entwicklung der räumlichen Temperaturverteilung wider. Man erkennt, dass die lokale Temperaturabweichung nach etwa 0, 1 s weitgehend ausgeglichen oder kompensiert ist. In Fig. 7 the temporal temperature relaxation behavior of a 0.3 mm thick sapphire substrate is outlined. The substrate has at a time t = 0 in a surface segment of 1 mm edge length or diameter, a temperature which is lower by 1000 K, than the temperature of adjacent surface segments, which are kept kontant at that temperature level. The individual graphs reflect the temporal evolution of the spatial temperature distribution. It can be seen that the local temperature deviation is largely compensated or compensated after about 0.1 s.
In Fig. 8 ist ein der Fig. 7 vergleichbarer berechneter raum-zeitlicher Temperaturausgleich bzw. eine entsprechende Wärmeleitung ebenfalls in einem 0,3 mm dicken Saphirsubstrat dargestellt. Die Temperaturabweichung von 1000 K erstreckt sich hierbei jedoch über eine Länge von 4 mm bzw. über eine Fläche mit einer Kantenlänge oder einem Durchmesser von 4 mm. Wie man den einzelnen, die zeitliche Entwicklung darstellenden Graphen entnehmen kann, benötigt der vollständige Temperaturausgleich eine bedeutend längere Zeit im Vergleich zu der in Fig. 7 gezeigten Konstellation. So hat sich die Temperaturdifferenz in der Mitte des betreffenden Flächensegments von anfänglich 1000 K nach 1 s auf zumindest etwa 350 K reduziert. FIG. 8 likewise shows a computed spatiotemporal temperature compensation or a corresponding heat conduction comparable to FIG. 7 in a 0.3 mm thick sapphire substrate. The temperature deviation of 1000 K, however, extends over a length of 4 mm or over an area with an edge length or a diameter of 4 mm. How to see the individual, the temporal evolution graph can take the complete temperature compensation significantly longer time compared to the constellation shown in Fig. 7. Thus, the temperature difference in the middle of the relevant area segment has been reduced from initially 1000 K to 1 s to at least about 350 K.
Bezug sze iche n l iste Reference is made
1 Thermische Behandlungsvorrichtung 1 thermal treatment device
10 Substrat  10 substrate
11 Oberfläche  11 surface
12 Seitenrand  12 margin
13 Unterseite  13 bottom
20 Laserquelle  20 laser source
21 Laserstrahl  21 laser beam
22 Laser-Strahlformungseinheit  22 laser beam shaping unit
23 Aufgeweiteter Laserstrahl  23 Widened laser beam
24 Transversale Intensitätsverteilung  24 Transverse intensity distribution
25 Gemittelte Intensität  25 Average intensity
26a Lokales Intensitätsmaximum  26a Local intensity maximum
26b Lokales Intensitätsminimum  26b Local intensity minimum
30 Substratträger  30 substrate carrier
32 Gehäuse  32 housing
33 Innenoberfläche  33 inner surface
34 Substrataufnahme  34 substrate holder
36 Temperaturmesseinrichtung  36 temperature measuring device
38 Steuereinrichtung  38 control device

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e P a n t a n s p r e c h e
Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines Substrats (10), mit : einem Substratträger (30), der eine Substrataufnahme (34) zur Anordnung des Substrats (10) am Substratträger (30) aufweist, zumindest einer Laserquelle (20) zur Erzeugung einer zur Substrataufnahme (34) gerichteten Laserstrahlung (21 ), und zumindest einer Laser-Strahlformungseinheit (22) zur Device for the thermal treatment of a substrate (10), comprising: a substrate carrier (30) having a substrate receptacle (34) for arranging the substrate (10) on the substrate carrier (30), at least one laser source (20) for generating a substrate receptacle (30) 34) directed laser radiation (21), and at least one laser beam shaping unit (22) for
Erzeugung einer transversalen räumlichen Intensitätsverteilung (24) der Laserstrahlung (21), welche Intensitätsverteilung (24) im Bereich einer transversalen Ausdehnung der  Generation of a transverse spatial intensity distribution (24) of the laser radiation (21), which intensity distribution (24) in the region of a transverse extent of the
Substrataufnahme (34) allenfalls lokale Intensitätsmaxima (26a) oder lokale Intensitätsminima (26b) aufweist, in welchen die Intensität der Laserstrahlung (21) um weniger als 20% von einer über die transversale Ausdehnung der Substrataufnahme (34) gemittelten Intensität (25) der Laserstrahlung (21 ) abweicht.  Substrate receptacle (34) at most local intensity maxima (26a) or local intensity minima (26b), in which the intensity of the laser radiation (21) by less than 20% of an over the transverse extent of the substrate receptacle (34) averaged intensity (25) of the laser radiation (21) deviates.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Laserquelle (20) und die Laser- Strahlformungseinheit (22) zur Erzeugung einer Laserstrahlung (21 ) mit einer transversalen räumlichen Intensitätsverteilung (24) ausgebildet sind, welche Intensitätsverteilung (24) sich über die gesamte Fläche der Substrataufnahme (34) erstreckt. Apparatus according to claim 1, wherein the laser source (20) and the laser beam shaping unit (22) are designed to generate a laser radiation (21) having a transverse spatial intensity distribution (24), which intensity distribution (24) extends over the entire surface of the substrate receptacle (24). 34).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Figure imgf000025_0001
Laserquelle (20) und die Laser-Strahlformungseinheit (22) zur Device according to one of the preceding claims, wherein the
Figure imgf000025_0001
Laser source (20) and the laser beam shaping unit (22) for
Erzeugung einer sich gleichzeitig über die gesamte Fläche der Substrataufnahme (34) erstreckten Laserstrahlung (21 ) ausgebildet sind. Generating one at the same time over the entire surface of the Substrate receptacle (34) extending laser radiation (21) are formed.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei die 4. Device according to one of the preceding claims, wherein the
Intensität der Laserstrahlung (21) im Bereich der transversalen  Intensity of the laser radiation (21) in the area of the transverse
Ausdehnung der Substrataufnahme (34) lokal um weniger als 10 %, weniger als 5 %, weniger als 2 % oder weniger als 1 % von der über die transversale Ausdehnung der Substrataufnahme (34) gemittelten Intensität (25) abweicht.  Extension of the substrate receptacle (34) deviates locally by less than 10%, less than 5%, less than 2% or less than 1% of the over the transverse extent of the substrate receptacle (34) averaged intensity (25).
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Leistungsdichte der Laserquelle (20) im Bereich der 5. Device according to one of the preceding claims, wherein the optical power density of the laser source (20) in the region of
Substrataufnahme (34) zwischen 5 W/cm2 und 500 W/cm2 beträgt. Substrate receptacle (34) between 5 W / cm 2 and 500 W / cm 2 .
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die 6. Device according to one of the preceding claims, wherein the
Laserquelle (20) gepulst oder im continuous wave (cw) Modus betreibbar ist.  Laser source (20) pulsed or in continuous wave (cw) mode is operable.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die 7. Device according to one of the preceding claims, wherein the
Laserquelle (20) zur Erzeugung von Laserstrahlung (21 ) mit einer Wellenlänge zwischen 1 μητι und 11 pm ausgebildet ist.  Laser source (20) for generating laser radiation (21) having a wavelength between 1 μητι and 11 pm is formed.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner ein gegenüber der Umgebung thermisch isoliertes Gehäuse (32) zur Aufnahme des Substratträgers (30) aufweist. 8. Device according to one of the preceding claims, which further comprises a relative to the environment thermally insulated housing (32) for receiving the substrate carrier (30).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Gehäuse (32) eine hinsichtlich der vorgesehenen Laserstrahlung (21 ) reflektierende Innenoberfläche (33) aufweist. 9. Apparatus according to claim 8, wherein the housing (32) has a respect to the intended laser radiation (21) reflective inner surface (33).
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner zumindest eine Temperaturmesseinrichtung (36) zur Bestimmung der Temperatur (T) des am Substratträger (30) angeordneten Substrats (10) aufweist. 10. Device according to one of the preceding claims, which further comprises at least one temperature measuring device (36) for determining the Temperature (T) of the substrate carrier (30) arranged substrate (10).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner eine Steuereinrichtung (38) zur Ansteuerung der Laserquelle und/oder der Laser-Strahlformungseinheit (22) aufweist. Device according to one of the preceding claims, further comprising a control device (38) for controlling the laser source and / or the laser beam shaping unit (22).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , wobei zumindest einer der nachfolgenden Parameter Strahlintensität, Device according to one of claims 10 or 11, wherein at least one of the following parameters beam intensity,
Strahlleistungsdichte, räumliche transversale Intensitätsverteilung (24), Pulsdauer oder Repetitionsrate der Laserstrahlung (21) in Abhängigkeit der absoluten Temperatur (T) des Substrats (10) und/oder in Beam power density, spatial transverse intensity distribution (24), pulse duration or repetition rate of the laser radiation (21) as a function of the absolute temperature (T) of the substrate (10) and / or in
Abhängigkeit einer transversalen räumlichen Temperaturverteilung des Substrats (10) variierbar ist. Dependence of a transverse spatial temperature distribution of the substrate (10) is variable.
Verfahren zur thermischen Behandlung zumindest eines Substrats (10), mit den Schritten: Method for the thermal treatment of at least one substrate (10), comprising the steps:
Anordnen des zu behandelnden Substrats (10) an einer Arranging the substrate (10) to be treated on a
Substrataufnahme (34) eines Substratträgers (30),  Substrate receptacle (34) of a substrate carrier (30),
Erzeugen einer auf die Substrataufnahme (34) gerichteten Laserstrahlung (21) mittels einer Laserquelle (20) und Producing a laser radiation (21) directed onto the substrate receptacle (34) by means of a laser source (20) and
Erzeugen einer transversalen räumlichen IntensitätsverteilungGenerating a transversal spatial intensity distribution
(24) der Laserstrahlung (21) im Bereich einer transversalen Ausdehnung der Substrataufnahme (34), welche allenfalls lokale Intensitätsmaxima (26a) oder lokale Intensitätsminima (26b) aufweist, in welchen die Intensität der Laserstrahlung (21 ) um weniger als 20% von einer über die transversale (24) of the laser radiation (21) in the region of a transverse extent of the substrate receptacle (34) which at most local intensity maxima (26a) or local intensity minima (26b), in which the intensity of the laser radiation (21) by less than 20% of a about the transversal
Ausdehnung der Substrataufnahme (34) gemittelten Intensität Extension of the substrate absorption (34) averaged intensity
(25) abweicht. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Saphirsubstrat (10) mittels der Laserstrahlung (21) auf eine Bearbeitungstemperatur von zumindest 1.800 °C aufgeheizt wird. (25) deviates. The method of claim 3, wherein a sapphire substrate (10) by means of the laser radiation (21) is heated to a processing temperature of at least 1800 ° C.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 oder 14, wobei das Substrat (10) mittels der Laserstrahlung (21 ) auf eine Method according to one of the preceding claims 13 or 14, wherein the substrate (10) by means of the laser radiation (21) on a
Bearbeitungstemperatur von zumindest 1.900°C, von zumindest 1950°C oder auf eine Bearbeitungstemperatur von etwa 2.000°C aufgeheizt wird. Processing temperature of at least 1900 ° C, heated from at least 1950 ° C or to a processing temperature of about 2,000 ° C.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, wobei das Substrat (10) innerhalb eines Zeitraums von weniger als 5 Minuten, von weniger als 1 Minute, von weniger als 30 s, von weniger als 10 s oder von weniger als 3 s auf die Bearbeitungstemperatur erhitzt wird. A method according to any one of the preceding claims 13 to 15, wherein the substrate (10) is heated within less than 5 minutes, less than 1 minute, less than 30 seconds, less than 10 seconds, or less than 3 seconds Processing temperature is heated.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 16, wobei die zeitlich gemittelte Leistungsdichte der Laserstrahlung (21 ) am Substrat (10) mit ansteigender Temperatur des Substrats (10) gesteigert wird. A method according to any of the preceding claims 13 to 16, wherein the time averaged power density of the laser radiation (21) on the substrate (10) is increased with increasing temperature of the substrate (10).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 17, wobei zumindest einer nachfolgenden Parameter Strahlintensität, Method according to one of the preceding claims 13 to 17, wherein at least one subsequent parameter beam intensity,
Strahlleistungsdichte, räumliche transversale Intensitätsverteilung (24), Pulsdauer oder Repetitionsrate der Laserstrahlung (21 ) in Abhängigkeit der absoluten Temperatur (T) des Substrats (10) und/oder in Beam power density, spatial transverse intensity distribution (24), pulse duration or repetition rate of the laser radiation (21) as a function of the absolute temperature (T) of the substrate (10) and / or in
Abhängigkeit einer transversalen räumlichen Temperaturverteilung des Substrats (10) variiert wird. Dependence of a transverse spatial temperature distribution of the substrate (10) is varied.
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