JP5133158B2 - 多重ビームレーザー装置 - Google Patents

Description

本発明は、多重ビームレーザー装置に関するもので、より詳細には容易に複数のビームを得ると共に、得られた複数のビームの経路を調整することにより加工品質と均一性を向上させることができる多重ビームレーザー装置に関するものである。

最近、液晶ディスプレイ等に用いられる薄膜トランジスタでは、チャネル層にキャリア移動度が高いポリシリコン膜が使用されている。薄膜トランジスタのポリシリコン膜は、一般的にガラス基板上に非晶質シリコンを成膜し、その非晶質シリコンにレーザービームを照射することにより製造される。

この際、工程の効率性を高めるため、レーザービームを多くのビームに分割することができるビーム分割部が使用される。図１は、従来技術によるビーム分割部を示す。

図１を参照すると、ビーム分割部１０は、光源から出射されたレーザービーム１１が第１ビームスプリッター１２ａ及び第２ビームスプリッター１２ｂを経て３つのビームに分割され、第２ビームスプリッター１２ｂを通過したビームは反射ミラー１３により反射される。

これにより、レーザービーム１１は３つのビームに分かれて、ガラス基板等の対象物１５に照射される。この場合、上記３つのビームを集光することができるレンズ等の集光手段１４がビーム分割手段である第１ビームスプリッター１２ａ、第２ビームスプリッター１２ｂ、反射ミラー１３と対象物１５の間に位置される。

従来技術によるビーム分割部１０は、１つのビームを３つのビームに分割してレーザーアニーリング等の効率性は高めるが、分割しようとするビームの数だけ分割手段が必要となる。即ち、図１のように、３つのビームに分割しとうとする場合には２つのビームスプリッターと１つの反射ミラー、即ち、３つの光学手段が必要である。

これにより、必要なビームの数が多いほど光学系の構造が複雑になり、精密な制御が難しくなるという問題がある。

本発明は、上記のような問題点を解決するためのもので、本発明の目的は容易に複数のビームを得ると共に、得られた複数のビームの経路を調整することにより加工品質と均一性を向上させることができる多重ビームレーザー装置を提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明の一実施形態は、ビームを出射するレーザー光源と、上記ビームの経路上に配置された入射側レンズと、上記入射側レンズを経たビームを複数のビームに分割するビーム分割部と、上記複数の分割されたビームの経路上に配置され上記複数の分割されたビームの夫々の経路を変更するビーム経路調整部を含む多重ビームレーザー装置を提供する。

上記ビーム経路調整部はプリズムであることが好ましい。また、上記複数の分割されたビームの強度は均一であることが好ましい。

本発明の好ましい実施形態において、上記ビーム分割部は夫々の反射面が相互対向するように平行に配置された第１反射ミラー及び第２反射ミラーと、上記第１反射ミラー及び第２反射ミラーの間に配置され入射されたビームを透過ビームと反射ビームに分割する一つのビームスプリッターを含み、上記レーザー光源から出射されたビームは上記第１反射ミラー及び第２反射ミラーにより上記ビームスプリッターを少なくとも２回経由するように入射され複数の分割されたビームで出力されることが好ましい。

また、本発明の他の実施形態において、上記ビーム分割部は入射されたビームを透過ビームと反射ビームに分割する一つのビームスプリッターと、上記ビームスプリッターと平行に配置され上記反射ビームが入射される反射ミラーを含み、上記レーザー光源から出射されたビームは上記反射ミラーにより上記ビームスプリッターを少なくとも２回経由するように入射され複数の分割されたビームで出力され、上記ビームスプリッターは上記反射ミラーから反射されたビームが入射される複数の領域を有し、上記複数の領域のうち、隣接した領域の光透過度は異なることが好ましい。

また、上記ビーム経路調整部を経た上記複数のビームの夫々の上記レーザー光源からの進行距離は相互同一であることが好ましい。

さらに、上記ビーム経路調整部を経た複数のビームの大きさとビームの間隔を調節するリレーレンズをさらに含むことが好ましい。

上記リレーレンズは相互隣接して配置された第１リレーレンズと第２リレーレンズを含むものであってもよい。

さらに、上記入射側レンズから上記第１リレーレンズまで上記ビームが進行した距離は、上記第１リレーレンズの焦点距離と上記入射側レンズの焦点距離の和と同一であることが好ましい。

また、上記レーザー光源から出射するビームはフェムト秒レーザービームであることがレーザービームを使用した加工効率の側面で好ましい。

上述したように、本発明によれば、容易に複数のビームを得ると共に、得られた複数のビームの経路を調整することにより加工品質と均一性を向上させることができる多重ビームレーザー装置を提供することができる。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は当業界において平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさ等はより明確な説明のために誇張されることができ、図面上に同じ符号で表示される要素は同じ要素である。

図２は、本発明の一実施形態による多重ビームレーザー装置を示す概略図である。本実施形態による多重ビームレーザー装置２０は、ビームＬを出射するレーザー光源、入射側レンズ２１、ビーム分割部２２及びプリズム２３を備えて構成される。ここで、ビーム分割部２２の詳細な構成は図示されていないが、それについては後述する。

上記光源から発振されたレーザービームＬは、先ず入射側レンズ２１を経てフォーカシングされる。図２では、便宜上、ビームＬを実線で表示し、そのビームがフォーカシングされる様子は図示されていないが、それについては図６で説明する。

入射側レンズ２１を経たビームＬはビーム分割部２２に入射され複数の分割されたビームで出力される。ビーム分割部２２は、入射された１つのビームＬを複数のビームに分割する手段であれば如何なるものも採用することができる。

本実施形態で提案するビーム分割部２２は、図３に示すように、２つの反射ミラー３１a、３１ｂの間にビームスプリッター３２が配置された構造が好ましい。このような構造は、本出願人が先出願した韓国特許出願第１０−２００７−００３５５１４号に提示した多重ビームレーザー装置に該当する。この先出願においても提示したようにビーム分割部２２でビームが分割される原理を以下に説明する。

先ず、レーザー光源から出射されたビームＬは所定の入射角θでビームスプリッター３２に入射される。ここで、入射されたビームのうち一部は、ビームスプリッター３２を透過して第１反射ミラー３１ａに向かい、透過されない残りのビームはビームスプリッター３２により反射され第２反射ミラー３１ｂに向かう。この際、ビームスプリッター３２のビームＬに対する光透過度と光反射度は適切に調節されることができる。但し、出力ビームを最大限均一にするために、光透過度と光反射度の比は１：１、即ち、ビームスプリッター３２の光透過度は５０％であることが好ましい。

一方、第１反射ミラー３１ａに向かったビームは第１反射ミラー３１ａにより反射されてビームスプリッター３２に戻り、再度、ビームスプリッター３２により透過と反射過程を経るようになる。即ち、第１反射ミラー３１ａで反射されたビームの一部は、ビームスプリッター３２を透過して第２反射ミラー３１ｂに向かい、残りのビーム、即ち、ビームスプリッター３２により反射されたビームは再び第１反射ミラー３１ａに戻ってくる。また、最初にビームスプリッター３２により反射されたビームも反射及び分割の過程を経るようになる。このようなビームの反射と透過過程を繰り返してレーザービームＬは複数のビームに分割され出力されることができる。即ち、ビームスプリッター３２を経る度に１つのビームは２つに分割され、このような分割されたビームが第１ミラー３１ａ及び第２反射ミラー３１ｂの間を往復する過程を経て分割されたビームの数は次第に増える。

このように、ビームＬは第１反射ミラー３１ａ及び第２反射ミラー３１ｂによりビームスプリッター３２を少なくとも２回経由するように入射され複数の分割されたビームで出力されると理解することができる。本明細書に記載されない事項のうち、ビーム分割部２２に関するより詳細な事項は上記先出願（第１０-２００７-００３５５１４号）に記載の内容で補うことができる。

図４ａ及び図４ｂは、本発明の他の実施形態で提案されるビーム分割部２２の構造を示す図である。本実施形態によるビーム分割部２２は、本出願人が先出願した韓国特許出願第１０−２００７−００３５５１５号に提示した多重ビームレーザー装置に該当する。

先ず、図４ａに図示したビーム分割部２２は１つの反射ミラー４１と光透過度がパターン化されたビームスプリッター４２とを備えて構成される。ここで、反射ミラー４１とビームスプリッター４２は相互平行に配置されることが加工性能の均一性の側面で好ましい。

以下、ビーム分割部２２でビームが分割され複数のビームで出力される原理を説明する。先ず、光源から出射されたレーザービームＬは所定の入射角θで反射ミラー４１に入射され、対応する反射角を有して反射される。その後、反射されたビームはビームスプリッター４２を向かい進行し入射され、ビームスプリッター４２により透過及び反射ビームに分割される。この際、透過ビームは外部に出力され、反射ビームは再び反射ミラー４１を向かい進行する。

即ち、入射ビームＬは、反射ミラー４１によりビームスプリッター４２を少なくとも２回経由するように入射され複数の分割されたビームで出力されることができる。

ビームスプリッター４２は、反射ミラー４１から入射されたビームが入射される複数の領域を有し、上記複数の領域のうち、隣接した領域は光透過度が異なることを特徴とする。特に、ビームスプリッター４２の光透過度を領域によって適切に調節すると外部出力ビームの強度を相互同一にすることができる。

ビームスプリッター４２の光透過度の調節に関する事項を、図４ｂを参照して説明する。ビームスプリッター４２は断面を基準にしたとき、長さ方向に形成された複数のレーザービーム入射領域４２ａ、４２ｂ、４２ｃを有し、上記複数の入射領域のうち、隣接した領域の光透過度は異なるように形成される。ここで、長さ方向はレーザービームが反射ミラー４１とビームスプリッター４２を経て外部に出力されるために進行する方向と理解することができ、これは図４ｂのビームスプリッター４２では左側から右側方向に該当する。

一方、図４ｂに図示されたように、分割された複数の出力ビームの強度を相互同一にするために上記レーザービームの入射領域４２ａ、４２ｂ、４２ｃは夫々２５％、３３．３％、５０％の光透過度を有する。

従って、ビームスプリッター４２に最初に入射されたビームのうち、透過される光の強度は、最初入射されたレーザービームＬの強度に対して２５％になる。これにより、ビームスプリッター４２により反射されて反射ミラー４１に再び入射及び反射されるビームの強度は７５％になる。この７５％強度のビームはビームスプリッター４２の２番目の入射領域４２ｂに入射されながら、このうち３３．３％である２５％が透過され外部に出力される。同様に、入射領域４２ｂで反射されたビームの強度は７５％から２５％を除いた５０％になり、反射ミラー４１により再度反射されてビームスプリッターの３番目の入射領域４２ｃに入射される。

本明細書に記載されない事項のうち、ビーム分割部４２に関するより詳細な事項は上記先出願（第１０-２００７-００３５５１５号）に記載の内容で補うことができる。

次いで、図２を参照してビームの進行経路を説明すると、ビーム分割部２２により複数に分割されたビームはプリズム２３を経て夫々の経路が変更される。

ビーム分割部２２を経て分割された夫々のビームは、相互進行経路が異なり、これによって入射側レンズ２１によりフォーカシングされる位置が異なる。このように夫々のビームのフォーカシング位置が異なると、基板等を加工する場合、均一度が低下する可能性がある。

このような問題を解決するため、プリズム２３は上記複数の分割ビームの光経路の長さを一致させるために提供され、これはビーム経路調整部に該当する。

即ち、プリズム２３により、プリズム２３を経た複数のビーム（Ｌout）はレーザー光源からの進行距離が相互ほぼ同一になることができる。具体的に、ビーム分割部２２で出力された複数のビームのうち、ビーム経路が相対的に短いビームはプリズム２３で長い経路に沿って進行し、ビーム経路が相対的に長いビームはプリズム２３で短い経路に沿って進行すると理解することができる。

このため、プリズム２３の配置や角度、形態、材質等を必要に応じて調節することができる。このように、焦点位置をビームの進行経路に垂直な面上で最大限一致させることができ、これに対するより詳細な事項は図６と関連して説明する。一方、本実施形態では、ビーム経路調整部としてプリズムを例に挙げて説明したが、本発明はこれに制限されず、他の実施形態では、ビーム経路が異なる複数のビームの夫々の経路を一致させる他の手段が採用されることもできる。

図５は、本発明の他の実施形態による多重ビームレーザー装置を示す概略図である。本実施形態による多重ビームレーザー装置５０は図２の実施形態のようにビームＬを出射するレーザー光源、入射側レンズ５１、ビーム分割部５２及びプリズム５３を備え、第１リレーレンズ５４及び第２リレーレンズ５５をさらに含む。

入射側レンズ５１とプリズム５３は、図２の実施形態と同じものと理解することができる。ビーム分割部５２の場合は、図４ａに図示されたものと類似な形態で反射ミラー５２ａ及び光透過度がパターン化されたビームスプリッター５２ｂで構成される。但し、図４ａの場合とは異なり、光透過度が異なる領域が９つで、出力されるビームがさらに多い。このビームの数は、ビームスプリッター５２ｂの光透過度パターンを調節することにより得ることができる。

プリズム５３により経路が調節された複数のビームは、第１リレーレンズ５４及び第２リレーレンズ５５を通過して外部に出力される。

本実施形態において、第１リレーレンズ５４及び第２リレーレンズ５５は上記複数の分割されたビームの大きさとビームの間隔を調節する機能をする。第１リレーレンズ５４及び第２リレーレンズ５５により大きさと間隔が調節された複数の出力ビーム（Ｌout）は基板の加工等の用途で用いられることができる。

次に、図６を参照して、分割されたビームの焦点を調節し基板を加工する原理を説明する。図６は、図５の実施形態において、複数の分割されたビームのより具体的な経路を図示したもので、便宜上３つのビームのみを図示し、ビーム分割部によりビームが分割される前までの経路は除いた。

図６を参照すると、入射側レンズとビーム分割部を経た複数の分割されたビームはプリズム５３により夫々の焦点位置Ｆが相互同一になることができる。焦点位置Ｆでフォーカシングされたビームは第１リレーレンズ５４に向かって進行することにより発散し、即ち、ビームが広く広がる。この際、第１リレーレンズ５４は焦点位置Ｆからその焦点距離だけ離隔されて配置されることが好ましい。

第１リレーレンズ５４を経た複数のビームは第２リレーレンズ５５により集束され加工の対象となる基板５６の表面に照射される。上述したように、第１リレーレンズ５４及び第２リレーレンズ５５の配置構造とレンズの特性を適切に選び基板５６に照射される複数のビームの夫々の大きさとビームの間隔を加工に適当するように調節することができる。

一方、上記分割されたビームを加工用に用いる場合には、レーザービームＬをフェムト秒レーザーで使用することが好ましく、これにより透明基板加工等において効率性を向上させることができる。パルス方式のレーザーでパルス放射時間が１０^-15秒台であるフェムト秒（ｆｅｍｔｏ ｓｅｃｏｎｄ）レーザーは、極超短パルス放射時間に発振するため、エネルギーの発振密度が非常に大きい。一般的に１ｍＪの光エネルギーを有し１００フェムト秒以下のパルス放射時間を有するとレーザービームのエネルギー密度はほぼ１０ギガワットの水準に達し、如何なる材質の加工も可能になる。また、このような極超短パルスレーザービームを加工物に放射すると材料の構成格子にマルチフォトン現象が生じ、これによる原子の浮き現象が起こる間、光子が周囲の構成格子に熱を伝達する時間より入射パルスが短いため、加工物の加工時の熱拡散を最小化することができる。従って、加工時の熱拡散による加工精密度の低下を防ぐことができ、材質の物理、化学的変化と加工物の加工部位が一部分溶融されるという問題点が解決され、高精密度の加工が可能になる。

しかし、このようなフェムト秒レーザービームを用いた加工は、フェムト秒レーザーの低い反復率により加工時間が既存のナノ秒レーザーやＣＯ₂レーザー加工等に比べ加工速度が著しく落ち、商業化することに致命的な障害がある。加工に用いられるナノ秒レーザーの反復率は数〜数十ＭＨｚで、フェムト秒レーザー加工に一般的に用いられるチタニウムサファイアレーザーは１ＫＨｚで加工速度を比べるとフェムト秒レーザー加工速度が１０⁴倍程度落ちる。

従って、本発明によるビーム分割部においてフェムト秒レーザービームを用いる場合には、所望の数の出力ビームを容易に調節し分割することができるため、レーザー加工速度を画期的に向上させることができる。

本発明は、上述の実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、上記の請求範囲に限定する。従って、請求範囲に記載の本発明の技術的思想から外れない範囲内で当技術分野において通常の知識を有する者により多様な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これも本発明の範囲に属する。

従来技術によるビーム分割部を示す概略図である。 本発明の一実施形態による多重ビームレーザー装置を示す概略図である。 本発明の一実施形態によるビーム分割部を示す概略図である。 本発明の他の実施形態によるビーム分割部を示す概略図である。 図４ａに示したビーム分割部の断面構造を説明する図である。 本発明の他の実施形態による多重ビームレーザー装置を示す概略図である。 図５の実施形態において、複数の分割されたビームのより具体的な経路を示した図である。

符号の説明

２１ 入射側レンズ
２２ ビーム分割部
２３ プリズム
３１ａ 第１反射ミラー
３１ｂ 第２反射ミラー
３２ ビームスプリッター
４１ 反射ミラー
４２ ビームスプリッター
５１ 入射側レンズ
５２ ビーム分割部
５４ 第１リレーレンズ
５５ 第２リレーレンズ
５６ 基板

Claims (8)

1. ビームを出射するレーザー光源と、
   前記ビームの経路上に配置された入射側レンズと、
   前記入射側レンズを経たビームを複数のビームに分割するビーム分割部と、
   前記複数の分割されたビームの経路上に配置され前記複数の分割されたビーム夫々の経路を変更するビーム経路調整部と、
   を含み、
   前記ビーム分割部は、夫々の反射面が相互対向するように平行に配置された第１反射ミラー及び第２反射ミラー、及び、前記第１反射ミラー及び前記第２反射ミラーの間に配置され入射されたビームを透過ビームと反射ビームに分割する一つのビームスプリッターをさらに含み、
   前記レーザー光源から出射されたビームは、前記第１反射ミラー及び前記第２反射ミラーにより、前記一つのビームスプリッターを少なくとも２回経由するように入射され、複数の分割されたビームで出力されることを特徴とする多重ビームレーザー装置。
2. 前記ビーム経路調整部は、プリズムであることを特徴とする請求項１に記載の多重ビームレーザー装置。
3. 前記複数の分割されたビームの強度は、均一であることを特徴とする請求項１に記載の多重ビームレーザー装置。
4. 前記ビーム経路調整部を経た前記複数のビームの夫々の前記レーザー光源からの進行距離は、相互同一であることを特徴とする請求項１に記載の多重ビームレーザー装置。
5. 前記ビーム経路調整部を経た複数のビームの大きさとビームの間隔を調節するリレーレンズをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の多重ビームレーザー装置。
6. 前記リレーレンズは相互隣接して配置された第１リレーレンズと第２リレーレンズを含むことを特徴とする請求項５に記載の多重ビームレーザー装置。
7. 前記入射側レンズから前記第１リレーレンズまで前記ビームが進行した距離は、前記第１リレーレンズの焦点距離と前記入射側レンズの焦点距離の和と同一であることを特徴とする請求項６に記載の多重ビームレーザー装置。
8. 前記レーザー光源から出射するビームは、フェムト秒レーザービームであることを特徴とする請求項１に記載の多重ビームレーザー装置。

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