KR100862449B1

KR100862449B1 - 다중 빔 레이저 장치

Info

Publication number: KR100862449B1
Application number: KR1020070037119A
Authority: KR
Inventors: 김택겸; 김배균; 김홍기; 박준식; 이창윤; 강동훈; 홍상수
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2008-10-08

Abstract

본 발명은 다중 빔 레이저 장치에 관한 것으로서,

빔을 출사하는 레이저 광원과, 각각의 반사면이 서로 마주하도록 평행하게 배치된 제1 및 제2 반사미러 및 상기 제1 및 제2 반사미러 사이에 배치되며, 입사된 빔을 복수의 빔으로 분할하여 투과시키는 회절격자 빔 스플리터를 포함하며, 상기 레이저 광원으로부터 출사된 빔은 상기 제1 및 제2 반사미러에 의해 상기 회절격자 빔 스플리터를 적어도 1회 경유하도록 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력되는 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면 빔 스플리터를 하나만 사용하고도 하나의 레이저 빔으로부터 복수의 출력 빔을 얻을 수 있으며, 더 나아가, 출력 빔들의 강도를 균일하게 할 수 있는 다중 빔 레이저 장치를 제공할 수 있다.

빔분할, 빔 스플리터, 광학계, 펨토초 레이저, 회절

Description

다중 빔 레이저 장치{MULTI BEAM LASER APPARATUS}

도 1에는 종래 기술에 따른 다중 빔 레이저 장치를 나타내는 개략도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치를 나타내는 개략도이다.

도 3은 도 2의 회절격자 빔 스플리터에 의해 빔이 분할되는 양상을 나타내는 개략도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치를 나타내는 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

21a : 제1 반사미러 21b : 제2 반사미러

22 : 빔 스플리터 53 : 집광렌즈

본 발명은 다중 빔 레이저 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 반사미러와 함께 하나의 빔 스플리터 만을 사용하여 레이저 빔으로부터 복수의 출사 빔을 얻을 수 있는 다중 빔 레이저 장치에 관한 것이다.

최근에는 액정 디스플레이 등에 사용되는 박막 트랜지스터에서는 채널층에 캐리어 이동도가 높은 폴리실리콘막이 사용되고 있다. 박막 트랜지스터의 폴리실리콘막은 일반적으로, 유리 기판 상에 비정질(amorphous) 실리콘을 성막하고, 그 비정질 실리콘에 레이저 빔을 조사함으로써 제조된다.

이 경우, 공정의 효율성을 제고하기 위해, 레이저 빔을 많은 수의 빔으로 분할할 수 있는 다중 빔 레이저 장치가 요구된다.

도1에는 종래 기술에 따른 다중 빔 레이저 장치가 도시되어 있다.

도1을 참조하면, 다중 빔 레이저 장치(10)는 광원에서 출사된 레이저 빔(11)이 제1 및 제2 빔 스플리터(12a,12b)를 거치면서 3개의 빔으로 분할되며, 제2 빔 스플리터(12b)를 통과한 빔은 반사미러(13)에 의해 반사된다.

이에 따라, 상기 레이저 빔(11)은 3개의 빔으로 나누어 유리 기판 등의 대상물(15)에 조사될 수 있는 것이다. 이 경우, 상기 3개의 빔을 집광할 수 있는 렌즈 등의 집광 수단(14)이 상기 빔 분할 수단(12a,12b,13)과 대상물(15) 사이에 위치된다.

종래 기술에 따른 다중 빔 레이저 장치(10)는 1개의 빔을 3개의 빔으로 분할 하여 레이저 어닐 등의 효율성을 높이기는 하나, 분할하고자 하는 빔의 수만큼의 분할 수단이 필요하다. 즉, 도1의 경우와 같이, 3개의 빔으로 분할하고자 하는 경우에는 2개의 빔 스플리터와 1개의 반사미러, 즉, 3개의 광학 수단이 필요한 것이다.

이에 따라, 필요한 빔의 수가 많을수록 광학계의 구조가 복잡해지고 정밀한 제어가 어렵게 되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 빔 스플리터를 하나만 사용하고도 하나의 레이저 빔으로부터 복수의 출력 빔을 얻을 수 있으며, 더 나아가, 출력 빔들의 광 강도를 균일하게 할 수 있는 다중 빔 레이저 장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은,

빔을 출사하는 레이저 광원과, 각각의 반사면이 서로 마주하도록 평행하게 배치된 제1 및 제2 반사미러 및 상기 제1 및 제2 반사미러 사이에 배치되며, 입사된 빔을 복수의 빔으로 분할하여 투과시키는 회절격자 빔 스플리터를 포함하며, 상기 레이저 광원으로부터 출사된 빔은 상기 제1 및 제2 반사미러에 의해 상기 회절격자 빔 스플리터를 적어도 1회 경유하도록 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력되 는 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치를 제공한다.

이 경우, 상기 회절격자 빔 스플리터는 상기 제1 및 제2 반사미러와 평행하게 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 회절격자 빔 스플리터는 입사된 빔을 3개의 빔으로 분할하여 투과시키는 것이 출력 빔 간의 간격을 조절하는데 유리할 수 있다.

바람직하게는, 상기 복수의 출력 빔은 각각의 광 강도가 서로 동일할 수 있다. 또한, 상기 레이저 광원에서 출사하는 빔은 펨토초 레이저 빔인 것이 가공 속도 향상 측면에서 바람직하다.

추가적으로, 상기 복수의 출력 빔의 진행 방향에 배치된 집광 렌즈를 더 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치를 나타내는 개 략도이다.

본 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치(20)는 레이저 광원(L), 제1 및 제2 반사미러(21a,21b), 회절격자 빔 스플리터(22)를 갖추어 구성된다. 이 경우, 빔을 반사시키는 기능을 하는 상기 제1 및 제2 반사미러(21a,21b)는 서로 평행하며, 각각의 반사면이 서로 마주하도록 배치된다. 또한, 상기 회절격자 빔 스플리터(22) 역시, 상기 제1 및 제2 반사미러(21a,21b)와 평행하게 배치되는 것이 빔 분할 효율 측면에서 가장 바람직하나, 다소 기울어져 배치된다 하더라도 큰 영향을 미치지 않는다. 나아가 기울어진 정도가 더 커진 경우에도, 빔 분할 효율은 저하되더라도 빔을 분할하는 기능을 수행하는 데는 큰 문제가 없다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 상기 다중 빔 레이저 장치(20)에서 빔이 분할되어 복수의 빔으로 출력되는 원리를 설명한다.

우선, 입력 광원인 레이저 광원으로부터 출사된 빔(L)은 소정의 입사각(θ)으로 회절격자 빔 스플리터(22)에 입사된다. 상기 회절격자 빔 스플리터(22)에 입사된 빔은 복수 개의 빔으로 분할되어 투과된다. 도 3은 상기 회절격자 빔 스플리터(22)에 의해 빔이 분할되는 모습을 나타내는 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 회절격자 빔 스플리터(22)는 미세한 격자 구조를 가지며, 이에 따라, 입사된 빔을 분할하는 기능을 한다.

본 실시 형태에서는 상기 회절격자 빔 스플리터(22)에 의해 입사 빔이 3개의 빔으로 분할된다. 다만, 본 발명에서, 상기 회절격자 빔 스플리터(22)는 도 3의 격 자 구조 외에도 입사된 빔을 회절시켜 분할할 수 있는 구조이면 채용될 수 있다 할 것이며, 분할되는 빔의 개수 역시 회절 패턴에 따라 적절히 채용될 수 있다.

계속하여, 도 2에 도시된 레이저 빔의 경로를 살펴보면, 상기 회절격자 빔 스플리터(22)를 투과하여 상기 제1 반사미러(21a)로 향한 3개의 빔은 제1 반사미러(21a)에 의해 반사되어 상기 회절격자 빔 스플리터(22)로 되돌아 오며, 다시 한번, 상기 회절격자 빔 스플리터(22)에 의해 회절 및 분할 과정을 거치게 된다. 이에 따라, 상기 회절격자 빔 스플리터(22)를 다시 한번 투과한 빔은 모두 9개가 되며, 투과된 상기 9개의 빔은 계속해서 제2 반사미러(22b)를 향해 진행하여, 상기 제2 반사미러(22b)에 의해 반사된다.

이러한 과정을 되풀이하며, 상기 레이저 빔(L)은 복수의 빔으로 분할되어 출력될 수 있다. 즉, 본 실시 형태의 경우, 상기 회절격자 빔 스플리터(22)를 거칠 때마다 빔의 개수는 3배로 늘어나며, 빔이 상기 제1 및 제2 반사미러(21a,21b) 사이를 왕복하는 과정을 거치면서 외부로 출력되는 빔의 개수가 늘어나는 것이다. 즉, 레이저 빔(L)이 상기 회절격자 빔 스플리터(22)를 n회 통과한 경우, 출력 빔의 개수는 3ⁿ개가 된다.

이에 따라, 도 2와 같이, 본 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치(20)는 하나의 레이저 빔(L)을 81개의 빔(L_OUT)으로 출력할 수 있으며, 출력 빔의 개수가 늘어남에 따라 일부의 출력 빔(L_OUT)들은 서로 경로가 중첩되는 경우도 생길 수 있 다. 또한, 상기 81개의 출력 빔(L_OUT)은 모두 상기 회절격자 빔 스플리터(22)를 4번 거쳤으므로, 각각의 광 강도가 동일하다.

한편, 본 실시 형태와 달리, 상기 회절격자 빔 스플리터(22)는 입사 빔을 2개 또는 4개 이상의 출력 빔으로 분할할 수도 있다. 다만, 본 실시 형태와 같이, 입사된 빔을 3개의 빔으로 분할하여 투과시키는 것이 출력 빔 간의 간격을 조절하는데 유리할 수 있다.

상기 출력 빔(L_OUT)의 개수는 상기 입사각(θ)에 따라 변하며, 구체적으로는 입사각(θ)이 작아질수록, 즉, 레이저 빔(L)이 상기 빔 스플리터(22)에 수직 방향에 근접하여 입사할수록, 출력 빔(L_OUT)의 개수는 기하급수적으로 증가한다. 이 경우, 입사각이(θ)이 0°에 거의 근접하는 경우에는 이론적으로, 거의 무한대의 출력 빔을 얻을 수 있다.

상기 출력 빔(L_OUT)의 수는 많을수록 투명 기판 가공 등에 있어서 유리하므로, 상기 입사각(θ)은 작을수록 바람직하다.

본 실시 형태에서, 상기 입사각(θ)은 레이저 빔(L)이 상기 빔 스플리터(22)에 입사되는 각인 경우, 즉, 상기 빔 스플리터(22)에 직접 입사되는 경우를 설명하였으나, 상기 제1 반사미러(21a) 또는 제2 반사미러(21b)에 먼저 입사되는 경우도 생각할 수 있다. 이 경우, 도시하지는 않았으나, 상기 빔 스플리터(22)가 상기 제1 및 제2 반사미러(21a,21b)와 평행하다면, 반사된 빔이 상기 빔 스플리터(22)에 입 사되는 각은 상기 제1 반사미러(21a) 또는 제2 반사미러(21b)에 대한 입사각과 동일하게 된다. 입사 이후의, 빔이 분할되어 출력되는 과정은 상술한 바와 같다.

한편, 본 실시 형태에서, 상기 레이저 빔(L)은 펨토초 레이저일 수 있으며, 이 경우, 투명 기판 가공 등에 있어서 효율성을 향상시킬 수 있다.

펄스 방식 레이저로서 펄스 방사 시간이 10^-15초 대인 펨토초(femto second) 레이저는 극초단 펄스 방사 시간에 발진하므로 에너지의 발진 밀도가 매우 크다. 일반적으로 1 mJ의 광 에너지를 가지고 100 펨토초 이하의 펄스 방사시간을 가지면 레이저 빔의 에너지 밀도는 대략 10 기가 와트의 수준에 달해 어떠한 재질의 가공도 가능하게 된다. 또한, 이러한 극초단 펄스 레이저 빔을 가공물에 방사 하면 재료의 구성 격자에 멀티 포톤 현상이 발생하고 이에 의한 원자의 들뜸 현상이 일어나는 동안, 광자가 주위의 구성 격자에 열을 전달하는 시간보다 입사 펄스가 짧으므로 가공물의 가공 시의 열 확산을 최소화할 수 있다. 따라서, 가공 시의 열 확산으로 인한 가공 정밀도의 저하를 방지할 수 있으며, 재질의 물리, 화학적 변화와 가공물의 가공부위가 일부분 용융되는 문제점이 해결되어 고정밀도의 가공 수행이 가능하게 된다.

하지만 이러한 펨토초 레이저 빔을 사용한 가공은 펨토초 레이저의 낮은 반복률로 인하여 가공시간이 기존 나노초 레이저나 CO₂ 레이저 가공 등에 비해 가공 속도가 현저히 떨어져 상업화하는데 치명적인 장애가 있다. 가공에 사용되는 나노 초 레이저의 반복률은 수 ~ 수십 MHz 이며, 펨토초 레이저가공에 일반적으로 사용되는 타이타늄 사파이어 레이저는 1KHz로 가공 속도를 비교하면 펨토초 레이저 가공속도가 10⁴배 정도 떨어진다.

따라서, 본 발명에 따른 다중 빔 레이저 장치에 있어서 펨토초 레이저 빔을 사용하는 경우에는 원하는 개수의 출력 빔을 용이하게 조절하여 분할할 수 있으므로, 레이저 가공 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 것이다.

이와 같이, 본 발명에 따른 다중 빔 레이저 장치에서는, 광학 수단들의 배치나 입사각을 조절함으로써 원하는 강도나 개수의 출력 빔을 얻을 수 있으며, 이는 광학계 고유의 특징으로 볼 수 있으므로, 특정 거리나 배치 구조 및 입사각 등을 구체적인 수치로서 한정할 필요는 없다 할 것이다.

마지막으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치를 설명한다.

본 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치(40)는 이전 실시 형태와 같이 레이저 빔(L), 제1 및 제2 반사미러(41a,41b), 회절격자 빔 스플리터(42)를 갖추어 구성되며, 여기에, 출력 빔(L_OUT)을 집광할 수 있는 집광렌즈(53)를 더 포함한다. 집광렌즈(43)가 포함됨에 따라 복수의 출력 빔(L_OUT)을 투명 기판 등에 조사할 때 가공 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 빔 스플리터를 하나만 사용하고도 하나의 레이저 빔으로부터 복수의 출력 빔을 얻을 수 있으며, 더 나아가, 출력 빔들의 광 강도를 균일하게 할 수 있는 다중 빔 레이저 장치를 제공할 수 있다.

Claims

빔을 출사하는 레이저 광원;

각각의 반사면이 서로 마주하도록 평행하게 배치된 제1 및 제2 반사미러; 및

상기 제1 및 제2 반사미러 사이에 배치되며, 입사된 빔을 복수의 빔으로 분할하여 투과시키는 회절격자 빔 스플리터;를 포함하며,

상기 레이저 광원으로부터 출사된 빔은 상기 제1 및 제2 반사미러에 의해 상기 회절격자 빔 스플리터를 적어도 1회 경유하도록 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력되는 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.
제1항에 있어서,

상기 회절격자 빔 스플리터는 상기 제1 및 제2 반사미러와 평행하게 배치된 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.
제1항에 있어서,

상기 회절격자 빔 스플리터는 입사된 빔을 3개의 빔으로 분할하여 투과시키는 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 레이저 광원에서 출사하는 빔은 펨토초 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.
제1항에 있어서,

상기 복수의 출력 빔의 진행 방향에 배치된 집광 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.