KR100588459B1 - 레이저 빔 전달 시스템 및 그 형성 방법 - Google Patents

레이저 빔 전달 시스템 및 그 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 빔 전달 시스템을 제공한다. 이 전달 시스템은 레이저 장치에서 생성된 원시 레이저 빔을 발산하기 위한 구형 오목 렌즈, 발산된 레이저 빔에 대하여 제 1 방향 성분에 대한 발산각 교정을 수행하여 집광 렌즈의 개구수를 조절하기 위한 제 1 애너모픽 볼록 렌즈, 발산된 레이저 빔의 제 1 방향 성분과 직교하는 제 2 방향 성분에 대한 발산각 교정을 수행하여 초점 빔 스팟의 길이를 조절하는 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 및 제 1 및 제 2 애너모픽 볼록 렌즈에서 각각 교정된 레이저 빔을 집광하기 위한 집광 렌즈로 구성된다. 이에 따라, 광학적 구성 요소를 교체하지 않으면서 레이저 가공에 필요한 빔 전달 시스템의 인자들을 변화시킴으로써, 다양한 물질 가공에 적용될 수 있는 레이저 빔 전달 시스템을 제공할 수 있다.
레이저, 빔, 전달, 애너모픽, 개구수

Description

레이저 빔 전달 시스템 및 그 형성 방법{Laser Beam Delivery System and Method for Forming the Same}
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 빔 전달 시스템을 설명하기 위한 개략적인 광 경로도의 측부 정면도 및 상부 평면도;
도 2a 및 도 2b는 도 1a와 같이 측부에서 바라본 본 발명의 실시예에 따른 빔 전달 시스템의 제 1 실린더형 볼록 렌즈의 위치 변위에 따라 집광 렌즈로 전달되는 광 경로도 및 광 단면도;
도 3a 및 도 3b는 도 1b와 같이 상부에서 바라본 본 발명의 실시예에 따른 빔 전달 시스템의 제 2 실린더형 볼록 렌즈의 위치 변위에 따라 타깃으로 전달되는 광 경로도 및 광 단면도;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 빔 전달 시스템을 사용하는 레이저 절단 시스템을 설명하기 위한 개념도.
본 발명은 레이저를 이용한 절단 및 가공에 관한 것으로, 더 구체적으로 레이저 빔 전달 시스템 및 그 형성 방법에 관한 것이다.
고체 레이저(solid state laser)는 레이저 절단(cutting) 및 스크라이빙(scribing)을 포함하는 다양한 물질 가공을 위한 용도로 사용되어 왔다. 최근에는 자외(UV : Ultra Violet) 영역 고체 레이저의 개발로 인하여 반도체 물질을 가공하는 공정, 특히 칩 분할(chip separation)을 하기 위해 웨이퍼 기판(wafer substrates)을 레이저로 절단하는 공정에서 레이저의 용도는 더 넓어지고 있다. 칩 분할을 필요로 하는 기판의 형태는 실리콘 웨이퍼(silicon wafer), 화합물 반도체 웨이퍼, 세라믹 기판, 금속 기판 및 유리 기판 등과 같이 매우 다양하다.
이와 같은 다양한 기판을 절단하기 위한 레이저 빔(beam)은 집광력(focusability 또는 집광 해상도(focusing resolution)), 초점 심도(depth of focus) 및 타깃 조사량(target irradiance 또는 피크 파워 밀도(peak power density in W/cm2))와 같은 주요한 인자들을 가진다. 이러한 가공에 필요한 인자들은 대체로 기판의 형태에 따라 다르며, 레이저 빔 전달 시스템(BDS : Beam Delivery System)에서 각각의 다른 레이저 광학의 구성(또는 배열)을 필요로 한다. 예를 들어, 작은 크기의 칩(보통 수백 μm)을 갖는 얇은 실리콘 웨이퍼는 최적의 조사량 조건으로 짧은 초점 심도를 갖는 꽉 집광된(tightly focused 또는 높게 해상된(highly resolved)) 빔 스팟(beam spot)을 필요로 한다. 이러한 인자들은 추후에 작은 개개의 칩들로 나누어지는 실리콘 웨이퍼 표면에 좁은 폭과 얕은 깊이의 레이저 스크라이빙 선들을 초래한다.
이와는 달리, 금속 기판의 경우에 요구되는 공정 인자들은 또 다르다. 얇은 실리콘 웨이퍼에 사용되는 레이저 스크라이브 및 분리(scribe-and-break) 기술을 금속 기판에 동일하게 적용하는 것은 불가능하다. 이는 금속 기판의 높은 연성(ductility) 때문인데, 금속 기판의 전체 두께를 꿰뚫어 절단할 수 있는 레이저 빔이 필요하다. 이에 따라, 금속 절단에서는 깊은 침투를 위한 더 높은 초점 심도가 필요하다. 게다가, 일반적으로 금속 기판의 문턱 조사량(threshold irradiance)이 실리콘 기판의 문턱 조사량보다 더 높기 때문에, 빔 전달 시스템에 대한 적절한 조정이 필요하다.
종래에는 집광력, 초점 심도 및 타깃 조사량 등과 같은 레이저 절단 인자들을 바꾸기 위해서는 빔 전달 시스템을 구성하는 광학적 구성 요소를 교체하는 방식이었다. 그렇지만, 교체 과정에서 간간이 실질적으로 다른 구성이 초래되는 것과 빔 전달 시스템의 재정렬(re-alignment)하기 위한 긴 시간이 요구되는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광학적 구성 요소를 교체하지 않으면서 레이저 가공에 필요한 빔 전달 시스템의 인자를 변화시킬 수 있는 레이저 빔 전달 시스템 및 그 형성 방법에 관한 것이다.
본 발명은 레이저 빔 전달 시스템을 제공한다. 이 전달 시스템은 레이저 장치에서 생성된 원시 레이저 빔을 더 큰 각으로 발산하기 위한 구형 오목 렌즈, 발산된 레이저 빔에 대하여 제 1 방향 성분에 대한 발산각 교정을 수행하여 집광 렌 즈의 개구수를 조절하기 위한 제 1 애너모픽 볼록 렌즈, 발산된 레이저 빔의 제 1 방향 성분과 직교하는 제 2 방향 성분에 대한 발산각 교정을 수행하여 초점 빔 스팟의 길이를 조절하는 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 및 제 1 및 제 2 애너모픽 볼록 렌즈에서 각각 교정된 레이저 빔을 집광하기 위한 집광 렌즈로 구성된다.
원시 레이저 빔의 세기 분포는 가우시안 분포일 수 있으며, 원시 레이저 빔은 자외선 영역의 파장일 수 있다.
구형 오목 렌즈의 초점 거리 절대값은 제 1 및 제 2 애너모픽 볼록 렌즈의 초점 거리 절대값보다 짧을 수 있다. 제 1 애너모픽 볼록 렌즈는 구형 오목 렌즈와 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이에 위치하면서, 제 2 애너모픽 볼록 렌즈가 제 1 애너모픽 볼록 렌즈에 비해 긴 초점 거리를 가질 수 있다.
구형 오목 렌즈와 제 1 또는 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이의 거리 변위에 의해, 각각 레이저 빔의 제 1 방향 성분 또는 제 2 방향 성분의 발산 정도가 조절될 수 있다.
구형 오목 렌즈와 제 1 또는 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이의 거리 변위에 의해, 각각 레이저 빔의 제 1 방향 성분 또는 제 2 방향 성분의 수렴 정도가 조절될 수 있다.
구형 오목 렌즈와 제 1 또는 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이의 거리 변위에 의해, 각각 레이저 빔의 제 1 방향 성분 또는 제 2 방향 성분의 시준 정도가 조절될 수 있다.
제 1 애너모픽 볼록 렌즈는 구형 오목 렌즈와 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이 에 위치하거나 또는 제 2 애너모픽 볼록 렌즈는 구형 오목 렌즈와 제 1 애너모픽 볼록 렌즈 사이에 위치할 수 있다.
제 1 및 제 2 애너모픽 볼록 렌즈는 실린더형 볼록 렌즈일 수 있다.
또한, 본 발명은 레이저 빔 전달 시스템 형성 방법을 제공한다. 이 방법에 따르면, 먼저 레이저 장치를 사용하여 원시 레이저 빔을 생성한다. 원시 레이저 빔을 구형 오목 렌즈로 발산한 후, 발산된 레이저 빔을 제 1 및 제 2 애너모픽 볼록 렌즈로 각각 제 1 방향 성분 및 제 1 방향 성분과 직교하는 제 2 방향 성분에 대해 교정하여 집광 렌즈로 전달한다. 구형 오목 렌즈와 제 1 애너모픽 볼록 렌즈 사이 및 구형 오목 렌즈와 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이의 거리를 변경하는 것으로 각각 집광 렌즈의 개구수 및 초점 빔 스팟의 길이를 변화시킨다.
초점 빔 스팟을 타깃으로 향하게 하여 타깃에 적어도 하나의 최소 부분적 컷을 남기는 것을 더 포함할 수 있다.
원시 레이저 빔의 세기 분포는 가우시안 분포를 가질 수 있으며, 원시 레이저 빔은 자외선 영역의 파장일 수 있다.
구형 오목 렌즈의 초점 거리 절대값은 제 1 및 제 2 애너모픽 볼록 렌즈의 초점 거리 절대값보다 짧을 수 있다. 제 1 애너모픽 볼록 렌즈는 구형 오목 렌즈와 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이에 위치하면서, 제 2 애너모픽 볼록 렌즈가 제 1 애너모픽 볼록 렌즈에 비해 긴 초점 거리를 가질 수 있다.
구형 오목 렌즈, 제 1 애너모픽 볼록 렌즈 및 제 2 애너모픽 볼록 렌즈로 이루어진 복합체로 원시 레이저 빔을 발산, 수렴 및 시준할 수 있다.
구형 오목 렌즈와 제 1 또는 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이의 거리 변위에 의해, 각각 레이저 빔의 제 1 방향 성분 또는 제 2 방향 성분의 발산 정도가 조절될 수 있다.
구형 오목 렌즈와 제 1 또는 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이의 거리 변위에 의해, 각각 레이저 빔의 제 1 방향 성분 또는 제 2 방향 성분의 수렴 정도가 조절될 수 있다.
구형 오목 렌즈와 제 1 또는 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이의 거리 변위에 의해, 각각 레이저 빔의 제 1 방향 성분 또는 제 2 방향 성분의 시준 정도가 조절될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이다. 도면들에 있어서, 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 병기되어 있다.
본 발명은 종래의 문제점인 빔 전달 시스템의 광학적 구성 요소를 교체하지 않으면서 레이저 가공 인자들이 즉각적으로 바뀔 수 있는 조절 가능한 빔 전달 시스템 시스템으로 처리하고자 한다.
먼저, 본 발명의 배경적 광학 이론은 다음과 같이 설명될 수 있다. 일반적으 로 고체 레이지 빔은 레이저 조사에서 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 가질 수 있다. 레이저 빔의 원방(far-field) 이미지에서는 가우시안 레이저 빔의 개구수(NA : Numerical Aperture)는 아래 식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112006019111058-pat00001
여기서,
Figure 112006019111058-pat00002
는 집광 렌즈(focusing lens)의 개구수,
Figure 112006019111058-pat00003
는 레이저 빔의 파장,
Figure 112006019111058-pat00004
은 집광 렌즈의 굴절 계수(refractive index) 및
Figure 112006019111058-pat00005
는 집광된 레이저 빔의 최소 스팟 크기(size)이다. 최소 스팟 크기는 보통 가우시안 분포의 "e-2 최대값에서의 전폭(full width at e-2 maximum)"으로 측정될 수 있다. 집광된 레이저 빔의 최소 스팟 크기의 이론적인 한계는 레이저 파장인
Figure 112006019111058-pat00006
의
Figure 112006019111058-pat00007
배에 가까울 수 있다. 완벽한 가우시안 레이저 빔(또는 TEM00)은 이러한 이론적인 한계와 일치할 수 있다. 그렇지만 모든 실질적인 레이저 빔들은 한계를 초과할 수 있다. 실질적인 한계와 이론적인 한계 사이의 비는
Figure 112006019111058-pat00008
로 나타낼 수 있다. 개구수는 근사 관계식으로 표현될 수 있다.
Figure 112006019111058-pat00009
여기서,
Figure 112006019111058-pat00010
는 집광 렌즈에 입사되는 레이저 빔의 직경 및
Figure 112006019111058-pat00011
는 집광 렌즈의 초점 길이(focal length)이다. 이 관계식과
Figure 112006019111058-pat00012
를 고려하면, 집광된 레이저 빔의 실질적인 최소 스팟 크기는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112006019111058-pat00013
이 방정식의 실질적인 적용에서,
Figure 112006019111058-pat00014
및
Figure 112006019111058-pat00015
는 일반적으로 각각 레이저 장치의 형태와 성능에 의하여 결정되는 상수 값을 가질 수 있다. 또한, 초점 길이
Figure 112006019111058-pat00016
및 굴절 지수
Figure 112006019111058-pat00017
은 보통 빔 전달 시스템에 사용되는 집광 렌즈에 의해 결정된 상수 값을 가질 수 있다. 그래서 이 관계식은 집광된 빔의 최소 스팟 크기가 입사되는 레이저 빔의 직경에 의해 제어됨을 뜻한다. 집광 렌즈에 입사되는 레이저 빔의 직경이 바뀐다면, 초점 심도(depth of focus)
Figure 112006019111058-pat00018
는 다음의 관계식에 따라서 바뀔 수 있다.
Figure 112006019111058-pat00019
이와 같이, 집광 렌즈에 입사되는 레이저 빔의 직경의 제어된 변화는 최소 스팟 크기(또는 집광 렌즈의 해상도) 및 초점 심도의 적절한 조절을 부여할 수 있다. 이러한 조절 능력은 본 발명의 주된 이점의 하나일 수 있다.
본 발명에서 조절 능력의 다른 측면은 조사량(또는 피크 파워 밀도)일 수 있다. 이 조사량은 일반적으로 W/cm2 또는 J/(sec·cm2)로 표시될 수 있다. 조사량 단위에서 시간(sec)은 레이저 펄스(pulse)의 지속 시간이며, 레이저 펄스는 레이저의 형태와 설계에 의하여 결정된 상수 값이다. 그래서 조절하는 조사량의 제어 인자는 본질적으로 집광된 레이저 빔의 레이저 에너지 밀도(J/cm2)이다. 레이저 절단에 적용되는 경우, 절단의 높은 효율을 이루기 위해서는 타깃 물질의 물질 특성에 기초하는 최적의 레이저 에너지 밀도를 갖는 것이 중요하다. 예를 들어, 너무 낮은 레이저 에너지 밀도는 적절한 제거(ablation)의 결핍으로 인해 부적절한 레이저 절단 공정을 초래할 수 있다. 게다가, 너무 높은 레이저 에너지 밀도는 레이저 절단의 흔적(wake)에서 융해(melting) 및 개주(recasting)와 같은 과도한 열적 영향을 야기하는 레이저 에너지 밀도의 과잉을 초래할 수 있다. 현재에 사용되는 대부분의 고체 레이저는 출력 레이저 에너지를 줄(joule) 단위로 조절할 수 있는 능력을 가진다. 레이저 에너지 밀도의 최적의 값을 달성하기 위하여, 출력 레이저 에너지는 더 낮은 값으로 조절되는 것이 필요할 수 있다. 그렇지만 출력 레이저 에너지를 제한하는 것은 보통 레이저의 평균 출력 파워의 감소를 초래할 수 있다. 이런 방법으로 원하는 레이저 에너지 밀도를 맞추는 것은 대량 생산에 적당하지 않다. 이는 평균 파워 출력의 제한이 레이저 생산성에 영향을 주기 때문이다. 최적의 레이저 에너지 밀도를 획득하기 위한 더 나은 방법은 레이저 에너지 출력을 최대 평균 파워로 유지하는 반면에 레이저 빔 스팟의 길이(length)를 조절하는 것이다. 레이저 절단의 더 높은 속도는 레이저의 더 높은 생산성을 주는 최대 파워 출력을 이용하는 것으로 얻어질 수 있다. 이러한 집광된 레이저 빔 스팟에서의 조절 능력은 본 발명의 다른 강점일 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 빔 전달 시스템을 설명하기 위한 개략적인 광 경로도의 측부 정면도 및 상부 평면도이다.
도 1a를 참조하면, 다기능의 조절 가능한 빔 전달 시스템의 개략적인 광 경로도의 측부 정면도로서, 구성된 광학적 구성 요소를 보여준다. 여기서 X축은 빔 전달 축 그리고 Z축은 빔 전달 시스템의 상부 방향을 나타낸다.
레이저 장치(2)는 고체 레이저일 수 있으며, 바람직하게는 가우시안 프로파일(profile)을 가지면서 자외선 영역의 파장을 가질 수 있다. 레이저 장치(2)는 원시 레이저 빔(2A)을 방출한다. 원시 레이저 빔(2A)은 초점 거리가 -50mm인 구형 평면 오목 렌즈(4)를 지나간다.
구형 평면 오목 렌즈(4)를 지나면서 발산 각이 커진 레이저 빔은 초점 거리가 150mm인 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6)에 의해 더 작은 발산 각을 가지게 교 정된다. 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6)의 커버처(curvature)는 제 1 방향으로 놓일 수 있으며, 제 1 방향은 수직 방향일 수 있다. 예컨대, 제 1 방향은 수직 방향으로 z축 방향일 수 있다. 이에 따라, 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6)는 수직 애너모픽(anamorphic) 렌즈라고 할 수 있다.
제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6)를 지난 레이저 빔은 초점 거리가 40mm인 집광 렌즈(10) 쪽으로 작은 발산 각(slightly diverging)을 가지며 진행한다. 초점 거리가 250mm인 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8)의 커버처는 수평 방향으로 놓일 수 있으며, 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8)는 수평 애너모픽 렌즈라고 할 수 있다. 이에 따라, 제 1 및 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(6 및 8)은 서로 직교하는 방향으로 놓일 수 있다.
이 커버처 구조에 의하여, 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6)를 지나면서 발산된 레이저 빔의 수직 방향 성분은 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8)를 마치 평평한 유리창처럼 지나갈 수 있다. 즉, 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6)를 지나면서 더 작은 발산 각을 가지게 되는 레이저 빔의 수직 방향 성분은 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8)에 의한 영향을 전혀 받지 않을 수 있다. 이에 따라, 수직 성분 방향으로 발산하는 레이저 빔은 최종적으로 집광 렌즈(10)에 의해 타깃(12)으로 집광된다.
이와 같이, 구형 평면 오목 렌즈(4)의 초점 거리 절대값은 제 1 및 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(6 및 8)의 초점 거리 절대값보다 짧을 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(6 및 8)가 각각 수직 및 수평 애너모픽 볼록 렌 즈일 경우에는 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8)가 제 1 실린더형 볼록 렌즈(6)에 비해 긴 초점 거리를 가질 수 있다.
도 1b를 참조하면, 다기능의 조절 가능한 빔 전달 시스템의 개략적인 광 경로도의 상부 평면도로서, 구성된 광학적 구성 요소를 보여준다. 여기서 X축은 빔 전달 축 그리고 Y축은 빔 전달 시스템의 측부 방향을 나타낸다.
레이저 장치(2)는 원시 레이저 빔(2A)을 방출한다. 원시 레이저 빔(2A)은 구형 평면 오목 렌즈(4)를 지나간다. 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6)의 커버처는 수직 방향으로 놓인다. 구형 평면 오목 렌즈(4)를 지나면서 발산된 레이저 빔의 수평 방향 성분은 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6)를 마치 평평한 유리창처럼 지나간다. 즉, 구형 평면 오목 렌즈(4)를 지나면서 발산된 레이저 빔의 수평 방향 성분은 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6)에 의한 영향을 전혀 받지 않을 수 있다.
제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6)를 지난 레이저 빔의 수평 방향은 커버처가 수평 방향인 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8)에 의해 작은 각(slightly converging)으로 수렴되도록 교정된다. 즉, 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8)의 커버처는 제 2 방향으로 놓일 수 있으며, 제 2 방향은 수평 방향일 수 있다. 예컨대, 제 2 방향은 수평 방향으로 도 1b의 Y축 방향일 수 있다. 이에 따라, 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8)는 수평 애너모픽 렌즈라고 할 수 있다.
제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8)를 지난 레이저 빔은 집광 렌즈(10) 쪽으로 수렴하며 진행된다. 수평 성분 방향으로 수렴하는 레이저 빔은 최종적으로 집광 렌즈(10)에 의해 타깃(12) 앞에서 집광된다.
도 1a 및 도 1b에서 제 1 및 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(6 및 8)들이 서로 바뀌는 것은 제 1 및 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(6 및 8)들의 커버처가 서로 직교하기 때문이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1a와 같이 측부에서 바라본 본 발명의 실시예에 따른 빔 전달 시스템의 제 1 실린더형 볼록 렌즈의 위치 변위에 따라 집광 렌즈로 전달되는 광 경로도 및 광 단면도이다.
구형 평면 오목 렌즈(4)와 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6) 사이의 거리 변위가 미치는 영향을 설명하기 위해 도 1a와 같이 빔 전달 시스템을 측면에서 바라본 광 경로도 및 집광 렌즈(10)에서의 광 단면도(200A 또는 200B)이다.
도 2a를 참조하면, 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6)는 레이저 빔의 수직 방향 성분을 수렴시키는 위치(6A)에 놓여 있으며, 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112006019111058-pat00020
여기서,
Figure 112006019111058-pat00021
는 구형 평면 오목 렌즈(4)와 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6) 사이의 거리,
Figure 112006019111058-pat00022
는 구형 평면 오목 렌즈(4)의 초점 거리 및
Figure 112006019111058-pat00023
는 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6)의 초점 거리이다. 구형 평면 오목 렌즈(4)와 수렴시키는 위치(6A)에 있는 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6) 사이의 거리는 대략 130mm이다. 이러한 거리에서는 집광 렌즈(10)의 상부 평면도(200A)에서 보는 것과 같이, 수렴된 레이저 빔에 대하여 집광 렌즈(10)에서의 레이저 빔의 단면 부분 높이(106A)는 대략 6mm이다. 이에 따라, 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6)의 수렴시키는 위치(6A)는 더 작은 개구수와 더 높은 초점 심도를 초래한다.
도 2b를 참조하면, 도 2a와는 대조적으로 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6)가 레이저 빔의 수직 방향 성분을 발산시키는 위치(6B)에 놓여 있으며, 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112006019111058-pat00024
여기서,
Figure 112006019111058-pat00025
는 구형 평면 오목 렌즈(4)와 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6) 사이의 거리이다. 구형 평면 오목 렌즈(4)와 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6) 사이의 거리는 대략 70mm이다. 이러한 거리에서는 집광 렌즈(10)의 상부 평면도(200B)에서 보는 것과 같이, 발산된 레이저 빔에 대하여 집광 렌즈(10)에서의 레이저 빔의 단면 부분 높이(106B)는 대략 15mm이다. 이에 따라, 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6)의 발산시키는 위치(6B)는 더 큰 개구수와 더 얕은 초점 심도를 초래한다.
이와 같이, 구형 평면 오목 렌즈(4)와 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6) 사이의 거리 변위에 의해 레이저 빔의 수직 방향 성분에 대한 발산, 수렴 및 시준 정도가 조절될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 1b와 같이 상부에서 바라본 본 발명의 실시예에 따른 빔 전달 시스템의 제 2 실린더형 볼록 렌즈의 위치 변위에 따라 타깃으로 전달되는 광 경로도 및 광 단면도이다.
구형 평면 오목 렌즈(4)와 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8) 사이의 거리 변위가 미치는 영향을 설명하기 위해 도 1b와 같이 빔 전달 시스템을 상부에서 바라본 광 경로도 및 타깃(12)에서의 광 단면도(202A 또는 202B)이다.
도 3a를 참조하면, 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8)는 레이저 빔의 수평 방향 성분을 수렴시키는 위치(8A)에 놓여 있으며, 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112006019111058-pat00026
여기서,
Figure 112006019111058-pat00027
는 구형 평면 오목 렌즈(4)와 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8) 사이의 거리 및
Figure 112006019111058-pat00028
는 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8)의 초점 거리이다. 구형 평면 오목 렌즈(4)와 수렴시키는 위치(8A)에 있는 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8) 사이의 거리는 대략 220mm이다. 이러한 거리에서는 타깃(12)의 상부 평면도(202A)에서 보는 것과 같이, 타깃(12)에서의 레이저 빔의 빔 스팟 길이(108A)는 대략 500μm이다. 이에 따라, 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8)의 수렴시키는 위치(8A)는 타깃(12)에 더 긴 빔 스팟을 초래한다.
도 3b를 참조하면, 도 3a와는 대조적으로 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8) 가 레이저 빔의 수평 방향 성분을 발산시키는 위치(8B)에 놓여 있으며, 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112006019111058-pat00029
여기서,
Figure 112006019111058-pat00030
는 구형 평면 오목 렌즈(4)와 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8) 사이의 거리이다. 구형 평면 오목 렌즈(4)와 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8) 사이의 거리는 대략 170mm이다. 이러한 거리에서는 타깃(12)의 상부 평면도(202B)에서 보는 것과 같이, 타깃(12)에서의 레이저 빔의 빔 스팟 길이(108B)는 대략 100μm이다. 이에 따라, 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8)의 수렴시키는 위치(8B)는 타깃(12)에 길이가 더 짧은 빔 스팟을 초래한다.
도 3a 및 도 3b에서, 제 1 및 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(6 및 8)의 커버처 방향은 각각 수직 및 수평 방향 또는 각각 수평 및 수직 방향을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 실린더형 평면 볼록 렌즈(6)의 커버처가 수평 방향일 경우, 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8)의 커버처는 수직 방향을 가질 수 있다. 이와 같이, 제 1 및 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(6 및 8)의 커버처는 서로 직교한다.
이와 같이, 구형 평면 오목 렌즈(4)와 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(8) 사이의 거리 변위에 의해 레이저 빔의 발산, 수렴 및 시준 정도가 조절될 수 있다.
도 2a 내지 도 3b를 종합하면, 구형 평면 오목 렌즈(4)와 제 1 또는/및 제 2 실린더형 평면 볼록 렌즈(6 또는/및 8) 사이의 거리 변위에 의해 레이저 빔의 발산, 수렴 및 시준 정도가 조절될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 빔 전달 시스템을 사용하는 레이저 절단 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4을 참조하면, 레이저 절단 시스템의 조절 가능한 레이저 빔 전달 시스템의 대표적인 실시예이다. 여기서 X축은 빔 전달 축 그리고 Z축은 빔 전달 시스템의 상부 방향을 나타낸다.
3개의 이상적인 45도의 각도를 갖게 회전된 반사경인 제 1, 제 2 및 제 3 반사경(16A, 16B 및 16C)들이 레이저 장치(2)에서 방출된 원시 레이저 빔(2A)을 빔 전달 시스템의 구성 요소인 구형 평면 오목 렌즈(4), 제 1 및 제 2 실린더형 볼록 렌즈(6 및 8) 및 집광 렌즈(10)들을 통과하여 모션 스테이지(14) 상의 타깃(12)을 통과하여 모션 스테이지(14) 위의 타깃(12)을 적절하게 향하도록 채용될 수 있다. 모션 스테이지(14) 위의 타깃(12)은 집광된 레이저 빔에 의해 절단되기 위해 움직일 수 있다. 이러한 구성에서의 제 1 및 제 2 반사경(16A 및 16B)은 제 2 및 제 3 반사경(16B 및 16C) 사이의 빔 전달 시스템 구성 요소의 중앙으로 원시 레이저 빔(2A)을 향하게 하기 위해서 알맞게 사용될 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 레이저 빔 전달 시스템을 형성함으로써, 광학적 구성 요소를 교체하지 않으면서 레이저 가공에 필요한 빔 전달 시스템의 인자들을 변화시킬 수 있다. 이에 따라, 다양한 물질 가공에 적용될 수 있는 레이저 빔 전달 시스템 및 그 형성 방법을 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 광학적 구성 요소를 교체하지 않으면서 레이저 가공에 필요한 빔 전달 시스템의 인자를 변화시킴으로써, 다양한 물질 가공에 적용될 수 있는 레이저 빔 전달 시스템 및 그 형성 방법을 제공할 수 있다.

Claims (20)

  1. 레이저 장치를 사용하여 원시 레이저 빔을 생성하고,
    상기 원시 레이저 빔을 구형 오목 렌즈로 발산하고, 그리고
    상기 발산된 레이저 빔을 제 1 및 제 2 애너모픽 볼록 렌즈로 각각 제 1 방향 성분 및 상기 제 1 방향 성분과 직교하는 제 2 방향 성분에 대해 교정하여 집광 렌즈로 전달하되,
    상기 구형 오목 렌즈와 상기 제 1 애너모픽 볼록 렌즈 사이 및 상기 구형 오목 렌즈와 상기 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이의 거리를 변경하는 것으로 각각 상기 집광 렌즈의 개구수 및 초점 빔 스팟의 길이를 변화시키는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템 형성 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 초점 빔 스팟을 타깃으로 향하게 하여 상기 타깃에 적어도 하나의 최소 부분적 컷을 남기는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템 형성 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 원시 레이저 빔의 세기 분포는 가우시안 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템 형성 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 원시 레이저 빔은 자외선 영역의 파장인 것은 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템 형성 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 구형 오목 렌즈의 초점 거리 절대값은 상기 제 1 및 제 2 애너모픽 볼록 렌즈의 초점 거리 절대값보다 짧은 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템 형성 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1 애너모픽 볼록 렌즈는 상기 구형 오목 렌즈와 상기 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이에 위치하면서,
    상기 제 2 애너모픽 볼록 렌즈가 상기 제 1 애너모픽 볼록 렌즈에 비해 긴 초점 거리를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템 형성 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 구형 오목 렌즈, 상기 제 1 애너모픽 볼록 렌즈 및 상기 제 2 애너모픽 볼록 렌즈로 이루어진 복합체로 상기 원시 레이저 빔을 발산, 수렴 및 시준하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템 형성 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 구형 오목 렌즈와 상기 제 1 또는 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이의 거리 변위에 의해,
    각각 상기 레이저 빔의 상기 제 1 방향 성분 또는 상기 제 2 방향 성분의 발산 정도가 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템 형성 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 구형 오목 렌즈와 상기 제 1 또는 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이의 거리 변위에 의해,
    각각 상기 레이저 빔의 상기 제 1 방향 성분 또는 상기 제 2 방향 성분의 수렴 정도가 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템 형성 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 구형 오목 렌즈와 상기 제 1 또는 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이의 거리 변위에 의해,
    각각 상기 레이저 빔의 상기 제 1 방향 성분 또는 상기 제 2 방향 성분의 시준 정도가 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템 형성 방법.
  11. 레이저 장치에서 생성된 원시 레이저 빔을 발산하기 위한 구형 오목 렌즈;
    상기 발산된 레이저 빔에 대하여 제 1 방향 성분에 대한 발산각 교정을 수행하여 집광 렌즈의 개구수를 조절하기 위한 제 1 애너모픽 볼록 렌즈;
    상기 발산된 레이저 빔에 상기 제 1 방향 성분과 직교하는 제 2 방향 성분에 대한 발산각 교정을 수행하여 초점 빔 스팟의 길이를 조절하는 제 2 애너모픽 볼록 렌즈; 및
    상기 제 1 및 제 2 애너모픽 볼록 렌즈에서 각각 교정된 레이저 빔을 집광하기 위한 상기 집광 렌즈를 포함하는 레이저 빔 전달 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 원시 레이저 빔의 세기 분포는 가우시안 분포인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 원시 레이저 빔은 자외선 영역의 파장인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 구형 오목 렌즈의 초점 거리 절대값은 상기 제 1 및 제 2 애너모픽 볼록 렌즈의 초점 거리 절대값보다 짧은 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제 1 애너모픽 볼록 렌즈는 상기 구형 오목 렌즈와 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이에 위치하면서,
    상기 제 2 애너모픽 볼록 렌즈가 상기 제 1 애너모픽 볼록 렌즈에 비해 긴 초점 거리를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 구형 오목 렌즈와 상기 제 1 또는 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이의 거리 변위에 의해,
    각각 상기 레이저 빔의 상기 제 1 방향 성분 또는 상기 제 2 방향 성분의 발산 정도가 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템.
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 구형 오목 렌즈와 상기 제 1 또는 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이의 거리 변위에 의해,
    각각 상기 레이저 빔의 상기 제 1 방향 성분 또는 상기 제 2 방향 성분의 수렴 정도가 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템.
  18. 제 11항에 있어서,
    상기 구형 오목 렌즈와 상기 제 1 또는 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이의 거 리 변위에 의해,
    각각 상기 레이저 빔의 상기 제 1 방향 성분 또는 상기 제 2 방향 성분의 시준 정도가 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템.
  19. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1 애너모픽 볼록 렌즈는 상기 구형 오목 렌즈와 상기 제 2 애너모픽 볼록 렌즈 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템.
  20. 제 11항에 있어서,
    상기 제 2 애너모픽 볼록 렌즈는 상기 구형 오목 렌즈와 상기 제 1 애너모픽 볼록 렌즈 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 전달 시스템.
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