KR100377317B1 - Slit light irradiation optical system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 간단한 구성으로 균일한 레이저 슬릿광을 생성할 수 있으며, 넓은 물질 표면을 균일한 슬릿광에 의해 조사할 수 있는 광조사 광학시스템에 관한 것이다. 본 발명의 원통형 인터그레이터(2)는 그 표면에 단책형상의 원통형 렌즈면(2a)을 가지고 입사하는 레이저광(1)을 분할집광시킨 뒤 서로 중첩한다. 그 후 레이저광은 원통형 인터그레이터 모선(2b)방향과 직교하는 모선(5b)을 가진 원통형 렌즈(5)에 입사된다. 각 모선(2b)(5b)은 직교하고 있으므로, 각 레이저광은 원통형 인터그레이터의 모선방향에는, 원통형 렌즈에 의해 한점(F5)에 모아지도록 집광되며, 또 모선(5b)방향으로는 서로 동일면에 중첩되어 집광된다. 따라서, 길이방향 및 폭방향으로 균일한 파워분포(P1)(P2)를 가진 슬릿광이 형성된다.The present invention relates to a light irradiation optical system capable of producing uniform laser slit light with a simple configuration and irradiating a wide material surface with uniform slit light. The cylindrical integrator 2 of the present invention divides and condenses the laser light 1 incident on the surface thereof with a single cylindrical lens surface 2a on the surface thereof and overlaps each other. The laser light is then incident on the cylindrical lens 5 with the bus bar 5b orthogonal to the direction of the cylindrical integrator bus bar 2b. Since each bus bar 2b and 5b is orthogonal, each laser beam is condensed so as to be collected at one point F5 by the cylindrical lens in the bus bar direction of the cylindrical integrator, and on the same surface in the bus bar 5b direction. Overlapping and condensing Thus, slit light having a uniform power distribution P1 and P2 in the longitudinal direction and the width direction is formed.
Description
본 발명은 슬릿광조사 광학시스템, 좀더 상세하게는 레이저광을 균일한 슬릿광으로 정형하여 조사하는 슬릿광조사 광학시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a slit light irradiation optical system, and more particularly, to a slit light irradiation optical system for irradiating laser light into a uniform slit light.
레지저광을 조사하여 물질 포면의 화학적 혹은 물리적 성질을 바꾸는 방법이 각종 분야에서 응용되고 있다. 이 경우, 물질 표면에 레이저광을 조사하는 방법으로 레이저광을 미세 스폿형상으로 조사하는 방법이 이용되고 있으며, 이 스폿형상의 레이저광을 밀러 등에 의해 2차원적으로 편향시켜서 물질 표면을 주사하는 방법이 공지되어 있다. 그러나, 이 방법은 레이저광이 스폿형상이기 때문에 넓은 물질 표면을 주사하려면 시간이 걸린다는 결점이 있었다.The method of changing the chemical or physical properties of the surface of a material by irradiating the laser light has been applied in various fields. In this case, a method of irradiating a laser beam in a fine spot shape is used as a method of irradiating a laser light on the surface of the material, and a method of scanning the material surface by deflecting the spot-shaped laser light in two dimensions by a mirror or the like This is known. However, this method has the drawback that it takes time to scan a large material surface because the laser light is spot-shaped.
또, 슬릿형상의 레이저광을 이용해서 주사하면 주사시간은 단축되지만, 균일한 분포를 가진 슬릿광을 얻는 것이 곤란하다는 문제가 있었다.In addition, scanning using a slit-shaped laser light shortens the scanning time, but there is a problem that it is difficult to obtain slit light having a uniform distribution.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 이루어진 것으로, 간단한 구성으로 균일한 레이저 슬릿광을 생성할 수 있어서 넓은 물질표면을 균일한 슬릿광으로 조사할 수 있는 슬릿광조사 광학시스템을 제공하는 것을 과제로 한다.Accordingly, the present invention has been made in view of such a point, and it is a problem to provide a slit light irradiation optical system capable of generating uniform laser slit light with a simple configuration and irradiating a wide material surface with uniform slit light. Shall be.
본 발명은 이 과제를 해결하기 위해 단책형상의 원통형 렌즈면을 가지고, 입사하는 레이저광을 각 원통형 렌즈면에서 분할집광시킨 뒤 중첩하는 원통형 인터그레이터와, 상기 원통형 인터그레이터의 모선방향과 직교하는 모선을 가지며, 원통형 인터그레이터로부터의 레이저광을 집광하여 원통형 인터그레이터의 모선방향과 직교하는 방향으로 슬릿광을 생성하는 원통형 광학소자로 이루어진 구성을 채용했다.In order to solve this problem, the present invention has a cylindrical lens surface of a single-shape, and a cylindrical integrator overlapping after splitting and condensing incident laser light on each cylindrical lens surface, and a bus bar perpendicular to the bus bar direction of the cylindrical integrator. And a cylindrical optical element for condensing laser light from the cylindrical integrator to generate slit light in a direction orthogonal to the bus bar direction of the cylindrical integrator.
이와 같은 구성에서는 원통형 인터그레이터는 그 표면에 단책형상의 원통형 렌즈면을 가지며, 각 원통형 렌즈면에 입사하는 레이저광을 분할집광시킨 뒤 서로 중첩한다. 이와 같이 원통형 인터그레이터에 의해 형성된 레이저광은 원통형 인터그레이터의 모선방향과 직교하는 모선을 가진 원통형 광학소자에 입사된다. 이 원통형 광학소자의 모선은 원통형 인터그레이터의 모선방향과 직교하고 있으므로, 레이저광은 원통형 인터그레이터의 모선방향에 있어서는 원통형 광학소자에 의해 한 점으로 모아지도록 집광되며, 한편 원통형 인터그레이터의 모선과 직교하는 방향에서는 동일면에서 중첩하여 집광되므로, 원통형 광학소자의 모선방향으로 균일하게 퍼지는 슬릿광이 형성된다. 이 슬릿광은 길이방향으로 사다리형상의, 또는 폭방향으로 뾰족한 형상의 균일한 파워분포를 가지며, 스피드업을 도모할 수 있는 슬릿광조사 광학시스템이 실현된다.In such a configuration, the cylindrical integrator has a single cylindrical lens surface on its surface, and splits and condenses the laser light incident on each cylindrical lens surface. Thus, the laser beam formed by the cylindrical integrator is incident on the cylindrical optical element having a bus bar orthogonal to the bus bar direction of the cylindrical integrator. Since the bus bar of the cylindrical optical element is orthogonal to the bus bar direction of the cylindrical integrator, the laser light is condensed so as to be collected at a point by the cylindrical optical element in the bus bar direction of the cylindrical integrator, while at the same time perpendicular to the bus bar of the cylindrical integrator. In this direction, since the light is condensed on the same plane, slit light is uniformly spread in the bus bar direction of the cylindrical optical element. This slit light has a uniform power distribution in the form of a ladder in the longitudinal direction or a pointed shape in the width direction, and realizes a slit light irradiation optical system capable of speeding up.
이하, 도면에 도시한 실시예에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail according to the embodiment shown in the drawings.
제1도에는 본 발명의 제1실시예가 도시되어 있다. 동 도면에 있어서 1은 엑시머 레이저광이다. 이 엑시머 레이저광(1)은 각 모선이 수직방향으로 평행하게 배치된 다수의 단책형상 원통형 렌즈면으로 구성된 원통형 인터그레이터(2)에 입사된다. 원통형 인터그레이터(2)로부터의 레이저광은 밀러(3)(4)에 의해 그 광로가 절곡되어 전체 장치를 소형화하고 있다. 밀러(4)에 의해 편향된 레이저광은 원통형 인터그레이터(2)의 렌즈면 모선과 직각방향이 되도록 모선이 배치된 슬릿광생성 원통형 렌즈(5)에 입사되며, 표면개질을 하고자 하는 물질(6)에 입사된다.1 shows a first embodiment of the present invention. In the figure, 1 is an excimer laser beam. The excimer laser light 1 is incident on the cylindrical integrator 2 composed of a plurality of single-shaped cylindrical lens surfaces with each bus bar arranged in parallel in the vertical direction. The laser beam from the cylindrical integrator 2 is bent by the mirrors 3 and 4, and the whole apparatus is downsized. The laser light deflected by the miller 4 is incident on the slit light generating cylindrical lens 5 in which the bus bar is disposed so as to be perpendicular to the lens plane busbar of the cylindrical integrator 2, and the material 6 to be surface-modified. Is incident on.
제2도는 제1도의 실시예 대해 밀러(4)(5)를 생략한 광학시스템이 개념도로서 도시되어 있다. 제2도(A)에서 밝혀진 바와 같이, 원통형 인터그레이터(2)는 다수의 원통형 렌즈소자로 이루어지며 그 레이저광 입사면에는 단책형상의 원통형 렌즈면(2a)이 형성되어 있다. 또, 원통형 인터그레이터(2)의 모선(2b)(제2도의 (B))은 원통형 렌즈(5)의 모선(5b)과 직교되어 있음을 알 수 있다.2 is a conceptual diagram showing an optical system omitting Miller 4 and 5 for the embodiment of FIG. As shown in FIG. 2A, the cylindrical integrator 2 is composed of a plurality of cylindrical lens elements, and a single cylindrical cylindrical lens surface 2a is formed on the laser beam incident surface. Moreover, it turns out that the bus bar 2b (FIG. 2B) of the cylindrical integrator 2 is orthogonal to the bus bar 5b of the cylindrical lens 5. As shown in FIG.
이상과 같은 구성의 광학시스템 기능에 대해 설명한다.The optical system function of the above structure is demonstrated.
일반적으로 물질의 표편 개질에는 자외영역의 엑시머 레이저가 이용된다. 그리고, 엑시머 레이저는 대체로 도시한 바와 같은 빔프로파일을 가지고 있다. 즉, 빔 단면형상은 둥그스름한 네모형상으로 긴 면방향(A)의 파워분포는 사다리형상, 짧은 변방향(B)은 가우스분포와 유사하다.In general, the excimer laser in the ultraviolet region is used to modify the surface of the material. And the excimer laser generally has a beam profile as shown. In other words, the beam cross-section is round in a square shape, the power distribution in the long plane direction A is similar to the ladder shape, and the short side direction B is similar to the Gaussian distribution.
이 엑시머 레이저를 짧은 변방향을 원통형 인터그레이터(2)의 모선(2b)방향으로 일치시켜서 입사시킨다. 제2도(A)에 도시한 바와 같이, 엑시머 레이저로부터의 입사광(1)은 단책형상의 각 원통형 렌즈면(2a)에 의해 분할되며 각각은 일단 초점(F2)에 집광한 뒤 발산하여 서로 중첩된다. 초점(F2)에 집광한 레이저빔은 제2도의 지면에 수직하게 선형상으로 뻗는다. 한편, 레이저빔(1)은 제2도의 (B)에 도시한 바와 같이, 원통형 인터그레이터(2)의 모선(2b)방향으로는 집광되지 않으므로, 원통형 인터그레이터(2)의 후방에서는 폭은 거의 입사상태인 채로 퍼져나가게 된다.The excimer laser is incident on the short side by coinciding with the direction of the bus bar 2b of the cylindrical integrator 2. As shown in Fig. 2A, the incident light 1 from the excimer laser is divided by each cylindrical lens surface 2a in the form of a single strip, each of which is focused on the focal point F2 and then diverges and overlaps with each other. do. The laser beam focused on the focal point F2 extends linearly perpendicular to the ground of FIG. On the other hand, since the laser beam 1 is not focused in the direction of the busbar 2b of the cylindrical integrator 2, as shown in FIG. 2B, the width of the laser beam 1 is substantially behind the cylindrical integrator 2. Spreads in the state of incidence.
이 레이저빔이 밀러(3)(4)를 통과한 뒤 통과하는 소정 위치에는 그 길이 및 폭을 커버하는 크기의 슬릿광 생성 원통형 렌즈(5)가 배치된다. 이 원통형 렌즈(5)의 모선(5b)은 원통형 인터그레이터의 모선방향과 직교하고 있으므로, 레이저빔은 원통형 인터그레이터(2)의 모선방향으로 뻗는 방향에서는 원통형 렌즈(5)에 의해 초점(F5)에 모아지도록 집광되며, 한편 원통형 인터그레이터의 모선방향과 직교하는 방향에서는 서로 동일면에 중첩되어 집광되므로, 원통형 렌즈(5)에 입사된 레이저빔은 거의 원통형 렌즈(5)의 초점위치(F5)에 긴 초점선(F)을 형성한다.At a predetermined position where the laser beam passes through the mirrors 3 and 4, a slit light generating cylindrical lens 5 having a size covering its length and width is disposed. Since the bus bar 5b of the cylindrical lens 5 is orthogonal to the bus bar direction of the cylindrical integrator, the laser beam is focused by the cylindrical lens 5 in the direction extending in the bus bar direction of the cylindrical integrator 2. Condensed on the same plane in the direction perpendicular to the bus bar direction of the cylindrical integrator, the laser beam incident on the cylindrical lens 5 is almost at the focal position F5 of the cylindrical lens 5. The long focal line F is formed.
여기서, 원통형 인터그레이터의 각 엘리먼트(렌즈면(2a))의 폭과 그 초점거리의 비는 생성하고자 하는 슬릿길이와 원통형 인터그레이터의 초점위치(F2)와 슬릿광생성 원통형 렌즈의 초점위치(F5)의 간격비와 대체로 일치하도록 하고 있다. 따라서, 이 초점선은 원통형 인터그레이터(2)에 의해 분할된 레이저빔이 거의 같은 위치에서 중첩되어 있으며 길이방향으로 균일한 파워분포(P1)를, 또 그 폭방향으로 뾰족한 형상의 파워분포(P2)를 가진 슬릿광이 된다. 이 슬릿광의 폭은 원통형 인터그레이터(2)의 위치와 초점거리를 적당히 선택하면 0.3mm 정도의 샤프한 것으로 할 수 있다.Here, the ratio of the width of each element (lens surface 2a) of the cylindrical integrator and its focal length is determined by the slit length to be generated and the focal position F2 of the cylindrical integrator and the focal position F5 of the slit light generating cylindrical lens. It is approximately matched with interval ratio of). Therefore, the focal line is a power distribution P1 having a uniform power distribution P1 in the longitudinal direction and a laser beam split by the cylindrical integrator 2 overlapping at almost the same position and having a sharp shape in the width direction. Becomes a slit light with The width of the slit light can be as sharp as about 0.3 mm if the position and focal length of the cylindrical integrator 2 are appropriately selected.
이렇게 해서 얻어진 엑시머 레이저의 슬릿광을 물질(6) 표면에 펄스형상으로 단속적으로 조사하여 물질(6)을 펄스의 주기에 맞춰서 이동시킴으로써 물질(6) 표면에 균일한 에너지를 줄 수 있어서 표면개질을 실현할 수 있다. 또, 이 실시예에 있어서 원통형 렌즈(5)로 바꾸어 원통형 밀러를 배치하는 것도 가능하다.The slit light of the excimer laser thus obtained is intermittently irradiated to the surface of the material 6 in a pulse shape to move the material 6 at a pulse cycle to give uniform energy to the surface of the material 6, thereby improving surface modification. It can be realized. In addition, in this embodiment, it is also possible to arrange | position a cylindrical mirror by switching to the cylindrical lens 5.
제4도~제6도에는 본 발명의 또다른 실시예가 도시되어 있다. 각 도면에 있어서 제2도와 동일한 부분에는 동일한 부호가 붙여져 있으며, 그 상세한 설명은 생략한다.4 to 6 show another embodiment of the present invention. In each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same part as FIG. 2, and the detailed description is abbreviate | omitted.
제4도에 도시한 실시예에서는 원통형 인터그레이터(2)의 후방에 그 모선(2b)과 평행한 방향으로 모선(7b)을 가진 원통형 렌즈(7)가 배치되어 있다. 이 원통형 렌즈(7)는 원통형 인터그레이더(2)의 각 렌즈면(2a)을 통과한 레이저빔을 물질 표면상에서 일치되도록 그 초점(F7)이 슬릿광 중앙에 거의 일치시키고 있으며, 슬릿광 길이방향의 중첩을 매우 효과적으로 행하는 기능을 가진 것으로, 제4도(A)에 도시한 바와 같이 길이 방향으로 파워분포(P3)의 상승 및 하강을 급준하게 할 수 있다. 이에 따라 보다 효과적으로 엑시머 레이저의 에너지를 이용할 수 있다. 이 원통형 렌즈(7)는 원통형 인터그레이터(2)의 전방에 배치할 수도 있다.In the embodiment shown in FIG. 4, a cylindrical lens 7 having a bus bar 7b is arranged behind the cylindrical integrator 2 in a direction parallel to the bus bar 2b. The cylindrical lens 7 has the focal point F7 almost coincident with the center of the slit light so that the laser beam passing through each lens surface 2a of the cylindrical intergrader 2 coincides on the material surface, and the slit light longitudinal direction This function has a function of effectively superimposing the two, and as shown in FIG. 4 (A), it is possible to sharply raise and lower the power distribution P3 in the longitudinal direction. Accordingly, the energy of the excimer laser can be used more effectively. This cylindrical lens 7 may be disposed in front of the cylindrical integrator 2.
제5도에 도시한 실시예에서는 원통형 인터그레이터(2)의 후방에 또 하나의 원통형 인터그레이터(8)가 배치되어 있다. 이 원통형 인터그레이터(8)의 모선(8b)은 원통형 인터그레이터(2)의 모선(2b)과 직교하는 방향으로 되어 있다. 그리고 원통형 인터그레이터(8)의 초점(F8)과 슬릿광생성 원통형 렌즈(5)의 전방측 초점(F5')과 거의 일치하도록 배치되어 있으며, 각 엘리먼트를 통과한 레이저빔은 조사면상에서 폭방향의 중첩이 이루어진다. 이에 따라 폭방향으로도 사다리형상의 에너지분포(P4)를 가진 균일한 슬릿광을 생성할 수 있다. 이 원통형 인터그레이터(8) 또한 원통형 인터그레이터(2)의 전방측에 배치할 수도 있다.In the embodiment shown in FIG. 5, another cylindrical integrator 8 is arranged behind the cylindrical integrator 2. The bus bar 8b of the cylindrical integrator 8 is in a direction orthogonal to the bus bar 2b of the cylindrical integrator 2. And the focal point F8 of the cylindrical integrator 8 and the front focal point F5 'of the slit light generating cylindrical lens 5 substantially coincide with each other, and the laser beam passing through each element is in the width direction on the irradiation surface. Overlap is made. Accordingly, even slit light having a ladder-shaped energy distribution P4 in the width direction can be generated. This cylindrical integrator 8 may also be arranged on the front side of the cylindrical integrator 2.
제6도에 도시한 실시예에서는 제5도의 광학시스템에 제4도에서 도시한 원통형 렌즈(7)를 부가한 것이며, 제4도와 마찬가지로 원통형 렌즈(7)의 모선(7b)은 원통형 인터그레이터의 모선(2b)과 평행하게 배치된다. 이 실시예에서는 초점선(F) 방향 및 폭방향으로 에지가 급준하게 균일한 사다리형상의 파워분포(P5)(P6)를 가진 효율적인 슬릿광조사 광학시스템을 실현하고 있다.In the embodiment shown in FIG. 6, the cylindrical lens 7 shown in FIG. 4 is added to the optical system of FIG. 5, and as in FIG. 4, the bus bar 7b of the cylindrical lens 7 is formed of the cylindrical integrator. It is arrange | positioned in parallel with the bus bar 2b. In this embodiment, an efficient slit light irradiation optical system having ladder-shaped power distributions P5 and P6 with sharply uniform edges in the focal line F direction and the width direction is realized.
이상의 설명에서 밝혀진 바와 같이, 본 발명에 의하면 원통형 인터그레이터에 의해 단책형상으로 분할되어 집광된 레이저광은 원통형 인터그레이터의 모선방향으로 직교하는 모선을 가진 원통형 광학소자에 의해 원통형 인터그레이터의 모선방향에 있어서는 한 점으로 모아지도록 집광되고, 또 원통형 광학소자의 모선방향에 있어서는 서로 동일면에 중첩되어 집광되므로 길이방향으로 나란히 폭방향으로 균일한 파워분포를 가진 슬릿광이 생성되어 스피드업을 도모할 수 있는 슬릿광조사 광학시스템이 실현된다.As is clear from the above description, according to the present invention, the laser light divided and condensed into a single shape by the cylindrical integrator is arranged in the bus direction of the cylindrical integrator by a cylindrical optical element having a bus bar orthogonal to the busbar direction of the cylindrical integrator. In this case, the light is condensed so as to be collected at one point, and in the bus bar direction of the cylindrical optical element, the light is condensed on the same plane. A slit light irradiation optical system is realized.
제1도는 본 발명의 슬릿광조사 광학시스템의 광학배치를 도시한 광학배치도이다.1 is an optical arrangement showing the optical arrangement of the slit light irradiation optical system of the present invention.
제2도(A)는 제1도의 슬릿광조사 광학시스템의 원리구성을 도시한 상부면도 제2도(B)는 그 측면도이다.FIG. 2A is a top view showing the principle configuration of the slit light irradiation optical system of FIG. 1. FIG. 2B is a side view thereof.
제3도는 레이저광이 서로 직교하는 방향의 파워분포를 도시한 설명도이다.3 is an explanatory diagram showing power distribution in a direction in which laser beams cross at right angles to each other.
제4도(A)는 본 발명의 슬릿광조사 광학시스템의 다른 실시예의 원리구성을 도시한 상부면도, 제4도(B)는 그 측면도이다.4A is a top view showing the principle configuration of another embodiment of the slit light irradiation optical system of the present invention, and FIG. 4B is a side view thereof.
제5도(A)는 본 발명의 슬릿광조사 광학시스템의 또다른 실시예의 원리구성을 도시한 상부면도. 제5도(B)는 그 측면도이다.Fig. 5A is a top view showing the principle construction of another embodiment of the slit light irradiation optical system of the present invention. 5B is a side view thereof.
제6도(A)는 본 발명의 슬릿광조사 광학시스템의 또다른 실시예의 원리구성을 도시한 상부면도 제6도(B)는 그 측면도이다.FIG. 6A is a top view showing the principle configuration of another embodiment of the slit light irradiation optical system of the present invention. FIG. 6B is a side view thereof.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
1: 레이저광 2: 원통형 인터그레이터1: laser light 2: cylindrical integrator
5: 원통형 렌즈 6: 물질 표면5: cylindrical lens 6: material surface
7: 원통형 렌즈 8: 원통형 인터그레이터7: cylindrical lens 8: cylindrical integrator
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| N231 | Notification of change of applicant | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |