KR100900684B1 - 라인 빔 레이저 장치 및 이를 이용한 표면 측정 장치 - Google Patents

라인 빔 레이저 장치 및 이를 이용한 표면 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 라인 빔 레이저 장치 및 이를 이용한 표면 측정 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면은 입사된 빔을 복수의 빔으로 분할하는 빔 분할부 및 상기 복수의 분할된 빔 경로 상에 배치되어 상기 복수의 분할된 빔 각각을 선형 변환하는 실린더 렌즈를 포함하는 라인 빔 레이저 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면은, 상기 라인 빔 레이저 장치 및 상기 라인 빔 레이저 장치에서 출력된 라인 빔 중 측정대상물에 의해 반사된 빔을 검출하기 위한 반사빔 검출부를 포함하는 표면 측정 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 분할된 복수의 빔을 변환시킴으로써 균일한 강도의 라인 빔을 얻을 수 있는 라인 빔 레이저 장치 및 이를 이용한 표면 측정 장치를 제공할 수 있다.
라인 빔, 선형 빔, 실린더 렌즈, 구면 렌즈, 표면 측정 장치

Description

라인 빔 레이저 장치 및 이를 이용한 표면 측정 장치{Line beam laser apparatus and surface measurement apparatus using the same}
본 발명은 라인 빔 레이저 장치 및 이를 이용한 표면 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분할된 복수의 빔을 변환시킴으로써 균일한 강도의 라인 빔을 얻을 수 있는 라인 빔 레이저 장치 및 이를 이용한 표면 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 집적회로는 웨이퍼 상에 포토 리소그래피 공정 등에 따라서 회로를 형성하는 방식으로 제조된다. 이 경우, 웨이퍼 상에 다수의 동일한 집적회로가 배치되며, 그것들을 분리하여 개개의 집적 회로 칩이 제조된다.
이러한 반도체 집적회로에서 웨이퍼 상에 이물 등이 존재한다면, 이물 등이 존재하는 부분에 형성되는 회로 패턴에 결함이 생기기 쉬우며, 이에 따라, 해당 집적 회로의 사용이 불가능해지게 될 수 있다. 그 결과 한 장의 웨이퍼로부터 얻을 수 있는 집적회로의 수가 감소하고 수율 저하를 초래한다.
반도체 집적회로 이외도 마이크로미터 크기의 이물이나 결함이 불량의 원인이 되는 첨단 소재는 디스플레이용 유리와 기판회로 소재 등을 예로 들 수 있다.
따라서, 이러한 이물이나 결함을 측정 및 검사할 수 있는 장비가 요구된다.
일반적으로 웨이퍼 상의 이물이나 결함을 측정하는 방법으로는 웨이퍼 표면에 레이저를 집광하고 그 집광 점으로부터 흩어지는 산란 빛을 수광하고 그 신호로부터 이물 등을 검출하는 방법이 사용되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 표면 측정 장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 표면 측정 장치(10)는 레이저빔(L)을 출사하는 광원, 웨이퍼 등의 측정대상물(11), 제1 및 제2 빔 검출부(12,13)를 포함하여 구성된다.
이 경우, 상기 제1 빔 검출부(12)는 상기 웨이퍼(11)로부터 산란됨 빔(Ls)를 검출한다. 즉, 상기 웨이퍼(11) 상의 집광 점으로부터의 산란 되는 빛을 렌즈를 이용하여 광전 변환기에 해당하는 제1 빔 검출부(12)에 수집되는 것이다. 산란 되는 빛을 수집한 상기 제1 빔 검출부는 레이저빔(L)이 이물 등에 의해 산란된 빔의 강도에 따르는 펄스모양의 신호를 출력하고, 그 신호출력의 크기에 따라서 이물 물체의 크기를 판단할 수 있다.
또한, 상기 제2 빔 검출부(13)는 상기 웨어퍼(11)에 의해 반사된 빔(Lr)을 검출한다.
이와 같이, 상기 표면 측정 장치(10)는 산란빔과 반사빔에 의한 신호를 모두 검출함으로써, 웨이퍼(11) 상의 이물의 존재 유무와 이물의 크기를 측정하고, 나아가 반사되는 빔의 각도를 측정하여 3차원 형상을 측정할 수 있다.
그러나, 일반적으로 상기 표면 측정 장치(10)는 제1 및 제2 빔 검출부(12,13) 등의 광학적인 구성 요소들은 고정되며 웨이퍼(11)가 배치된 스테이지(미도시)가 이송되는 방식이다.
이러한 스테이지 이송방식은 측정속도가 매우 느린 것이 단점으로 지적될 수 있으며, 나아가, 스테이지가 이동함에 따라 산란 및 반사되는 빔의 경로도 변화되므로 빔 검출부 역시 같은 방식으로 이동시켜야 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 목적은 분할된 복수의 빔을 변환시킴으로써 균일한 강도의 라인 빔을 얻을 수 있는 라인 빔 레이저 장치를 제공하는 것이다. 더 나아가, 본 발명의 다른 목적은 상기 라인 빔 레이저 장치를 이용한 표면 측정 장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 측면은,
입사된 레이저 빔을 복수의 빔으로 분할하는 빔 분할부 및 상기 복수의 분할된 빔 경로 상에 배치되어 상기 복수의 분할된 빔 각각을 선형 변환하는 실린더 렌즈를 포함하는 라인 빔 레이저 장치를 제공한다.
추가적으로, 상기 복수의 분할된 빔 경로 상에 배치되어 상기 분할된 복수의 빔 각각의 크기와 빔 간격을 조절하는 구면 렌즈를 더 포함하는 것이 라인 빔의 균일도 향상을 위해 바람직하다.
구면 렌즈를 추가하는 경우, 상기 실린더 렌즈는 상기 복수의 분할된 빔의 경로 상의 상기 빔 분할부와 상기 구면 렌즈 사이에 배치될 수 있다.
이와 반대로, 상기 구면 렌즈는 상기 복수의 분할된 빔의 경로 상의 상기 빔 분할부와 상기 실린더 렌즈 사이에 배치될 수도 있다.
상기 복수의 분할된 빔의 강도는 균일한 것이 이로부터 얻어지는 라인 빔의 균일도를 높이는데 바람직하다.
한편, 상기 빔 분할부는 각각의 반사면이 서로 마주하도록 평행하게 배치된 제1 및 제2 반사미러와, 상기 제1 및 제2 반사미러 사이에 배치되며, 입사된 빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 빔 스플리터를 포함하며, 상기 입사된 레이저 빔은 상기 제1 및 제2 반사미러에 의해 상기 빔 스플리터를 적어도 2회 경유하도록 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에서, 상기 빔 분할부는, 입사된 빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 빔 스플리터와, 상기 빔 스플리터와 평행하게 배치되며 상기 반사빔이 입사되는 반사미러를 포함하되, 상기 입사된 레이저 빔은 상기 반사미러에 의해 상기 빔 스플리터를 적어도 2회 경유하도록 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력되며, 상기 빔 스플리터는 상기 반사미러에서 반사된 빔이 입사되는 복수의 영역을 가지되, 상기 복수의 영역 중 인접한 영역의 광 투과도는 서로 다른 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에서, 상기 빔 분할부는 각각의 반사면이 서로 마주하도록 평행하게 배치된 제1 및 제2 반사미러와, 상기 제1 및 제2 반사미러 사이에 배치되며 입사된 빔을 복수의 빔으로 분할하여 투과시키는 회절격자 빔 스플리터를 포함하며, 상기 입사된 레이저 빔은 상기 제1 및 제2 반사미러에 의해 상기 회절격자 빔 스플리터를 적어도 1회 경유하도록 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력되는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 복수의 분할된 빔의 개수는 10 이상일 수 있다.
또한, 상기 레이저 빔은 펨토초 레이저 빔인 것이 가공 효율 측면에서 바람직하다.
본 발명의 다른 측면은, 상기 기재된 라인 빔 레이저 장치 및 상기 라인 빔 레이저 장치에서 출력된 라인 빔 중 측정대상물에 의해 반사된 빔을 검출하기 위한 반사빔 검출부를 포함하는 표면 측정 장치를 제공한다.
추가적으로, 더욱 정밀한 표면 측정을 위하여 상기 라인 빔 레이저 장치에서 출력된 라인 빔 중 측정대상물에 의해 산란된 빔을 검출하기 위한 산란빔 검출부를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 측정대상물에 의해 산란된 빔의 경로 상에 배치된 집광렌즈를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 라인 빔 레이저 장치에서 출력된 라인 빔의 라인 방향과 다른 방향으로 상기 측정대상물을 이동시키기 위한 스테이지를 더 포함하는 것이 2차원 표면 측정을 위해 바람직하며, 이 경우, 상기 스테이지의 이동방향은 상기 레이저빔이 측정대상물에 주사되는 방향과 수직인 것이 더욱 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 분할된 복수의 빔을 변환시킴으로써 균일한 강도의 라인 빔을 얻을 수 있는 라인 빔 레이저 장치 및 이를 이용한 표면 측정 장치를 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 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 라인 빔 레이저 장치를 나타내는 개략도이다.
본 실시 형태에 따른 라인 빔 레이저 장치(20)는 레이저 빔(L)을 발진하는 광원, 빔 분할부(21), 구면 렌즈(22) 및 실린더 렌즈(23)를 갖추어 구성된다.
우선, 상기 라인 빔 레이저 장치(20)의 동작을 개략적으로 설명하면, 상기 레이저 빔(L)은 빔 분할부(21)에 의해 복수의 빔으로 분할되어 구면 렌즈(22) 및 실린더 렌즈(23)를 거치면서 라인 빔으로 변환되며, 이러한 라인 빔은 기판 등의 표면 검사 또는 가공용 등으로 사용할 수 있다.
상기 빔 분할부(21)는 하나의 빔을 복수의 빔으로 분할하는 수단이면 어느 것이나 채용될 수 있다. 본 실시 형태에서 제안하는 상기 빔 분할부(21)의 바람직한 구조로서, 상기 빔 분할부(21)는 2개의 반사미러 및 회절격자 빔 스플리터를 포함한다. 이 경우, 상기 회절격자 빔 스플리터는 상기 2개의 반사미러 사이에 배치되며 소정 각도(θ)로 입사된 빔을 복수의 빔으로 분할하여 투과시킨다. 이러한 빔 분할부(21)의 구조는 본 출원인이 선출원 한 특허출원 제10-2007-0037119호에 제시된 것과 같은 구조이며, 도 5에 이를 도시하였다.
이하, 상기 빔 분할부(21)에서 빔이 분할되는 과정을 설명하면, 상기 선출원에 제시된 다중 빔 레이저 장치와 같이 상기 빔 분할부(21)는 레이저 빔(L)이 회절격자 빔 스플리터(122)를 투과하여 3개의 빔으로 분할되며, 제1 반사미러(121a)로 향한 3개의 빔은 상기 제1 반사미러(121a)에 의해 반사되어 상기 회절격자 빔 스플리터(122)로 되돌아온다. 이렇게 되돌아온 빔은 다시 한번 상기 회절격자 빔 스플리터(122)에 의해 회절 및 분할 과정을 거치게 된다. 이에 따라, 상기 회절격자 빔 스플리터(122)를 다시 한번 투과한 빔은 모두 9개가 되며, 투과된 상기 9개의 빔은 계속해서 제2 반사미러(122b)를 향해 진행하여, 상기 제2 반사미러(122b)에 의해 반사된다. 이러한 과정을 되풀이하며, 상기 레이저 빔(L)은 복수의 빔으로 분할되어 출력될 수 있다. 즉, 도 2에서는 빔 분할부(21)를 거친 후 레이저 빔(L)이 5개 로 분할된 것을 도시하였으나, 이는 도시의 편의를 위한 것으로서 도 5에 도시된 바와 같이, 분할되는 빔의 개수는 더 많을 수 있다. 이와 같이 분할되는 빔의 개수가 더 많을수록 최종적으로 출력되는 라인 빔의 균일도는 더욱 높아질 수 있다.
한편, 본 명세서에서 기술되지 않은 사항 중 상기 빔 분할부(21)에 대한 보다 상세한 사항은 상기 선출원에 따른 다중 빔 레이저 장치에 대한 내용으로 보충될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 빔 분할부(21)에 의해 분할된 복수의 빔은 구면 렌즈(22)에 입사된다. 이 경우, 분할된 복수의 빔 각각은 회절격자 빔 스플리터의 특성에 의해 서로 발산의 정도, 달리 얘기하면, 빔의 진행 방향이 달라진다. 이렇게 서로 다른 방향에서 구면 렌즈(22)에 입사된 상기 복수의 빔은 상기 구면 렌즈(22)에 의해 서로 평행하게 진행한다.
상기 구면 렌즈(22)의 배치 위치 및 초점 거리 등을 조절하여 상기 복수의 빔의 크기와 빔 간격이 조절될 수 있다. 다만, 상기 구면 렌즈(22)는 본 발명이 목적으로 하는 라인 빔을 형성하기 위해 필수적인 요소는 아니며, 실시 형태에 따라서는 제외될 수도 있다.
상기 구면 렌즈(22)를 거친 복수의 빔은 그 경로 상에 배치된 실린더 렌즈(23)에 입사된다. 상기 실린더 렌즈(23)는 상기 복수의 빔 각각을 선형, 즉, 라인 빔으로 변환하는 기능을 수행할 수 있다. 이와 같이, 복수의 빔 각각을 라인 빔 으로 변환함으로써, 인접한 빔들 간에 빔 강도의 중첩 효과를 얻을 수 있으며, 이에 의해 균일한 라인 빔을 제공할 수 있는 것이다.
이를 도 4a 및 도 4b를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 각각 1개 및 10개의 빔에 의해 생성된 라인 빔의 상대 강도를 시뮬레이션하여 나타낸 그래프이다.
우선, 도 4a와 같이 1개의 빔이 상기 구면 렌즈(22)와 실린더 렌즈(23)를 통과하여 라인 빔으로 변환된 경우를 살펴보면, 실선으로 도시된 부분은 빔 1개의 길이 방향에 따른 상대 강도를 나타내며, 빔의 중심 영역에 대부분의 에너지가 집중된 것을 볼 수 있다. 점선으로 도시된 부분은 구면 렌즈(22)와 실린더 렌즈(23)에 의해 빔이 선형으로 변환된 경우를 나타내며, 이러한 변환에 의해 빔의 강도가 중심 영역을 기준으로 분산 정도가 다소 적은 가우시안 분포를 나타낸다.
이와 비교하여, 10개로 분할된 상태로 구면 렌즈(22)와 실린더 렌즈(23)를 거친 경우를 살펴보면, 도 4b에 도시된 바와 같이 라인 빔의 균일도가 크게 향상된 것을 볼 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 각각의 빔들의 라인 빔 변환 효과가 서로 중첩되면서 전체 라인 빔의 균일도가 향상되는 것으로 이해될 수 있다. 여기서는 빔이 10개로 분할된 경우를 기준으로 설명하였으나, 더 많은 수의 빔을 사용하는 경우에는 라인 빔의 균일도 더욱 향상될 것으로 예상할 수 있다.
상술한 사항을 정리하면, 본 실시 형태에 따른 상기 라인 빔 레이저 장치(20)는 본 출원인에 의해 고안된 빔 분할기(21)에 의해 빔을 분할한 후, 분할된 빔을 구면 렌즈(22)와 실리더 렌즈(23)가 조합되어 배치된 구조를 통과하면서 균일한 강도를 갖는 라인 빔을 간편하게 얻을 수 있다.
한편, 실시 형태에 따라서는 빔이 실린더 렌즈(23)를 먼저 거치도록 상기 실린더 렌즈(23)가 구면 렌즈(22)보다 먼저 배치될 수 있으며, 이 경우에도 각각의 렌즈의 기능에 따라 라인 빔을 생성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 라인 빔 레이저 장치를 나타내는 개략도이다.
본 실시 형태에 따른 라인 빔 레이저 장치(30)는 도 2의 경우와 마찬가지로 레이저 빔(L)을 발진하는 광원, 빔 분할부(31), 구면 렌즈(32) 및 실린더 렌즈(33)를 갖추어 구성된다.
도 2의 실시 형태와 다른 점을 설명하면, 본 실시 형태의 경우, 빔 분할부(31)에 분할된 복수의 빔들이 서로 평행한 것을 특징으로 한다. 이와 같이 복수의 빔을 평행하게 출력할 수 있다면 상기 빔 분할부(31)는 어떠한 구조도 채용이 가능하지만, 바람직하게 본 실시 형태에서 제안하는 구조를 도 6과 도 7에 도시하였다.
우선, 도 6에 도시된 빔 분할부(31)는 2개의 반사미러(221a, 221b) 사이에 빔 스플리터(222)가 배치된 구조이다. 이러한 구조는 본 출원인이 선출원 한 특허출원 제10-2007-0035514호에 제시된 다중 빔 레이저장치에 해당한다.
상기 선출원에서 제시한 바와 같이 상기 빔 분할부(31)에서 빔이 분할되는 원리는 다음과 같다. 우선, 레이저 광원으로부터 출사된 빔(L)은 소정의 입사각(θ)으로 빔 스플리터(222)에 입사된다. 여기서, 입사된 빔 중 일부는 상기 빔 스플리터(222)를 투과하여 제1 반사미러(221a)로 향하며, 투과되지 않은 나머지 빔은 상기 빔 스플리터(222)에 의해 반사되어 제2 반사미러(221b)로 향한다. 이 경우, 상기 빔 스플리터(222)의 레이저 빔(L)에 대한 광 투과도와 광 반사도는 적절히 조절될 수 있으며, 다만, 출력 빔들을 최대한 균일하게 하기 위한 측면에서, 광 투과도와 광 반사도의 비는 1:1, 즉, 상기 빔 스플리터(222)의 광 투과도는 50% 인 것이 바람직하다.
상기 제1 반사미러(221a)로 향한 빔은 제1 반사미러(221a)에 의해 반사되어 상기 빔 스플리터(222)로 되돌아 오며, 다시 한번, 상기 빔 스플리터(222)에 의해 투과와 반사 과정을 거치게 된다. 즉, 상기 제1 반사미러(221a)에서 반사된 빔의 일부는 상기 빔 스플리터(222)를 투과하여 상기 제2 반사미러(221b)로 향하며, 나머지 빔, 즉, 상기 빔 스플리터(222)에 의해 반사된 빔은 다시 제1 반사미러(221a)로 되돌아 오게 된다. 또한, 처음 빔 스플리터(222)에 의해 반사된 빔 역시 반사 및 분할의 과정을 거치게 된다. 이러한 빔의 반사와 투과 과정을 되풀이하며, 상기 레이저 빔(L)은 복수의 빔으로 분할되어 출력될 수 있는 것이다. 즉, 빔 스플리터(222)를 거칠 때마다 하나의 빔은 두 개로 분할되며, 이렇게 분할된 빔이 상기 제1 및 제2 반사미러(221a, 221b) 사이를 왕복하는 과정을 거치면서 분할된 빔의 개수는 점점 늘어나는 것이다.
따라서, 상기 레이저 광원으로부터 출사된 빔(L)은 상기 제1 및 제2 반사미 러(221a, 221b)에 의해 상기 빔 스플리터(222)를 적어도 2회 경유하도록 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력되는 것으로 이해될 수 있다. 도 2의 실시 형태와 마찬가지로, 본 명세서에 기재되지 않은 사항 중 상기 빔 분할부(31)에 관한 보다 상세한 사항은 상기 선출원에 기재된 내용으로 보충될 수 있을 것이다.
다음으로, 또 다른 실시 형태 제안될 수 있는 빔 분할부(31)를 도 7를 참조하여 설명한다. 이는 본 출원인이 선출원 한 특허출원 제10-2007-0035515호에 제시된 다중 빔 레이저장치에 해당한다.
우선, 도 7a에 도시된 빔 분할부(31)는 하나의 반사미러(321)와 광 투과도가 패턴화된 빔 스플리터(322)를 갖추어 구성된다. 여기서, 상기 반사미러(321)와 빔 스플리터(322)는 서로 평행하게 배치되는 것이 가공 성능의 균일성 측면에서 바람직하다.
이하, 상기 빔 분할부(31)에서 빔이 분할되어 복수의 빔으로 출력되는 원리를 설명한다.
우선, 광원으로부터 출사된 빔(L)은 소정의 입사각(θ)으로 반사미러(321)에 입사되며, 대응하는 반사각을 갖고 반사된다. 이후, 반사된 빔은 빔 스플리터(322)를 향하여 진행되어 입사되고, 상기 빔 스플리터(322)에 의해 투과 및 반사 빔으로 분할된다. 이 경우, 상기 투과 빔은 외부로 출력되며, 반사 빔은 다시 상기 반사미러(321)를 향해 진행된다.
즉, 상기 입사 빔(L)은 상기 반사미러(321)에 의해 상기 빔 스플리터(322)를 적어도 2회 경유하도록 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력될 수 있는 것이다.
한편, 상기 빔 스플리터(322)는 상기 반사미러(321)로부터 입사된 빔이 입사되는 복수의 영역을 가지며, 상기 복수의 영역 중 인접한 영역은 광 투과도가 서로 다른 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 빔 스플리터(322)의 광 투과도를 영역에 따라 적절히 조절하면 외부 출력 빔들의 강도를 서로 동일하게 할 수 있다.
상기 빔 스플리터(322)의 광 투과도의 조절에 관한 사항을 도 7b를 함께 참조하여 설명한다. 상기 빔 스플리터(322)는 단면을 기준으로 할 때, 길이방향으로 형성된 복수의 레이저빔 입사 영역(322a, 322b, 322c)을 가지되, 상기 복수의 입사 영역 중 인접한 영역의 광 투과도는 서로 다르게 형성된다. 여기서, 길이방향은 레이저 빔이 상기 반사미러(321)와 빔 스플리터(322)를 거치면서 외부로 출력되기 위해 진행하는 방향으로 이해될 수 있으며, 이는 도 7b의 빔 스플리터(322)에서는 좌측에서 우측 방향에 해당한다.
한편, 도 7b에 도시된 바와 같이, 분할된 복수의 출력 빔의 강도를 서로 동일하게 하기 위해 상기 레이저빔 입사 영역(322a, 322b, 322c)은 각각 25%, 33.3%, 50%의 광 투과도를 갖는다.
따라서, 상기 빔 스플리터(322)에 첫 번째로 입사된 빔 중 투과되는 광의 강도는 최초 입사된 레이저 빔(L)의 강도에 대하여 25%가 된다. 이에 따라, 상기 빔 스플리터(322)에 의해 반사되어 상기 반사미러(321)에 다시 입사 및 반사되는 빔의 강도는 75%가 된다. 상기 75% 강도의 빔은 상기 빔 스플리터(322)의 두 번째 입사 영역(322b)에 입사되면서 이 중 33.3%인 25%가 투과되어 외부로 출력된다. 마찬가지 방식으로 상기 입사영역(322b)에서 반사된 빔의 강도는 75%에서 25%를 제외한 50%가 되며, 상기 반사미러(321)에 의해 재차 반사되어 상기 빔 스플리터의 세 번째 입사 영역(322c)에 입사된다.
본 명세서에 기재되지 않은 사항 중 상기 빔 분할부(322)에 관한 보다 상세한 사항은 상기 선출원(제10-2007-0035515호)에 기재된 내용으로 보충될 수 있을 것이다.
계속해서 도 3을 참조하여 설명하면, 상기 빔 분할기(31)를 통과하여 복수로 분할된 빔은 실린더 렌즈(33)와 구면 렌즈(32)를 차례로 거쳐 균일도가 높은 라인 빔으로 변환된다. 이 경우, 상기 실린더 렌즈(33)와 구면 렌즈(32)의 기능 및 작용은 도 2의 경우와 같은 것으로 이해될 수 있으며, 다만, 구면 렌즈(32)가 뒤에 배치되어 상기 구면 렌즈(32)에 의한 빔의 수렴 효과로 인하여 출력되는 라인 빔의 길이가 도 2의 경우보다 다소 줄어들 수 있다. 또한, 도 2의 실시 형태와 마찬가지로, 실시 형태에 따라서는 상기 실린더 렌즈(33)와 구면 렌즈(32)의 위치는 서로 바뀔 수도 있다.
상기 라인 빔 레이저 장치들을 가공용으로 사용하는 경우에는 레이저 빔(L)을 펨토초 레이저로 사용하는 것이 바람직하며, 이에 따라, 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 1mJ의 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 나노초 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 빔 분할부에 있어서 펨토초 레이저 빔을 사용하는 경우에는 원하는 개수의 출력 빔을 용이하게 조절하여 분할할 수 있으므로, 레이저 가공 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 것이다.
이하, 본 발명의 다른 측면과 관련된 실시 형태를 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 측면은 표면 측정 장치를 제공한다.
구체적으로, 본 실시 형태에 따른 표면 측정 장치(80)는 레이저빔(L)을 출사하는 광원, 라인 빔 레이저 장치(81), 웨이퍼 등의 측정대상물(85), 반사빔 검출부(83) 및 산란빔 검출부(82)를 구비하여 구성된다.
상기 표면 측정 장치(80)는 측정대상물(85)의 표면에 빔을 주사하여 반사된 빔과 산란된 빔의 강도를 수집함으로써 표면 상태를 측정할 수 있는 장치이다.
상기 표면 측정 장치(80)의 작동 원리를 설명하면, 우선, 상기 라인 빔 레이저 장치(81)는 상기에서 설명한 실시 형태와 같은 구조가 채용될 수 있으며, 균일한 라인 빔(Lℓ)을 측정대상물(85)에 조사한다.
이 경우, 상기 산란빔 검출부(82)는 상기 측정대상물(85)로부터 산란된빔(Ls)을 검출한다. 즉, 상기 측정대상물(85)의 표면에서 상기 라인 빔(Lℓ)이 조사되는 영역으로부터 상기 라인 빔(Lℓ) 중 산란 되는 빛은 집광 렌즈(84)에 의해 광전 변환기에 해당하는 상기 산란빔 검출부(82)에 수집되는 것이다. 산란 되는 빛을 수집한 상기 산란빔 검출부(82)는 레이저빔(L)이 이물 등에 의해 산란된 빔의 강도에 따르는 펄스모양의 신호를 출력하고, 그 신호출력의 크기에 따라서 이물 물 체의 크기를 판단할 수 있다.
또한, 상기 반사빔 검출부(83)는 상기 측정대상물(85)에 의해 반사된 빔(Lr)을 검출한다. 이 경우, 상기 반사된 빔(Lr) 역시 라인 빔의 형태가 되므로, 반사빔 검출부(83)는 도 1에 도시된 반사빔 검출부가 어레이로 배열된 구조를 갖는 것이 바람직하다.
이와 같이, 상기 표면 측정 장치(80)는 산란빔과 반사빔에 의한 신호를 모두 검출함으로써, 측정대상물(85) 상의 이물의 존재 유무와 이물의 크기를 측정하고, 나아가 반사되는 빔의 각도를 측정하여 3차원 형상을 측정할 수 있다.
한편, 상기 측정대상물(85)의 전체 표면, 즉, 2차원 표면의 측정을 위해 상기 표면 측정 장치(80)는 상기 측정대상물(85)이 배치된 스테이지(미도시)가 상기 라인빔(Lℓ)의 길이 방향과 다른 방향, 구체적으로는 길이 방향에 수직 방향으로 이송될 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.
도 1에는 종래 기술에 따른 빔 분할부를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 라인 빔 레이저 장치를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 라인 빔 레이저 장치를 나타내는 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 1개 및 10개의 빔에 의해 생성된 라인 빔의 상대 강도를 시뮬레이션하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 빔 분할부를 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 빔 분할부를 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 빔 분할부를 나타내는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 다른 측면의 일 실시 형태에 따른 표면 측정 장치를 나타내는 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
21: 빔 분할부 22,32: 구면 렌즈
23,33: 실린더 렌즈 121a, 121b: 제1 및 제2 반사미러
122: 회절격자 빔 스플리터 221a, 221b: 제1 및 제2 반사미러
222: 빔 스플리터 321: 반사미러
322: 빔 스플리터 81: 다중 빔 레이저 장치
82: 산란빔 검출부 83: 반사빔 검출부
84: 집광 렌즈 85: 기판

Claims (15)

  1. 입사된 레이저 빔을 복수의 빔으로 분할하는 빔 분할부;
    상기 복수의 분할된 빔 경로 상에 배치되어 상기 복수의 분할된 빔 각각을 선형 변환하는 실린더 렌즈; 및
    상기 복수의 분할된 빔 경로 상에 배치되어 상기 분할된 복수의 빔 각각의 크기와 빔 간격을 조절하는 구면 렌즈;
    를 포함하는 라인 빔 레이저 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실린더 렌즈는 상기 복수의 분할된 빔의 경로 상의 상기 빔 분할부와 상기 구면 렌즈 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 레이저 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구면 렌즈는 상기 복수의 분할된 빔의 경로 상의 상기 빔 분할부와 상기 실린더 렌즈 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 레이저 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 분할된 빔의 강도는 균일한 것을 특징으로 하는 라인 빔 레이저 장치.
  6. 입사된 레이저 빔을 복수의 빔으로 분할하는 빔 분할부; 및
    상기 복수의 분할된 빔 경로 상에 배치되어 상기 복수의 분할된 빔 각각을 선형 변환하는 실린더 렌즈;를 포함하되,
    상기 빔 분할부는 각각의 반사면이 서로 마주하도록 평행하게 배치된 제1 및 제2 반사미러와, 상기 제1 및 제2 반사미러 사이에 배치되며, 입사된 빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 빔 스플리터를 포함하며,
    상기 입사된 레이저 빔은 상기 제1 및 제2 반사미러에 의해 상기 빔 스플리터를 적어도 2회 경유하도록 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 레이저 장치.
  7. 입사된 레이저 빔을 복수의 빔으로 분할하는 빔 분할부; 및
    상기 복수의 분할된 빔 경로 상에 배치되어 상기 복수의 분할된 빔 각각을 선형 변환하는 실린더 렌즈;를 포함하되,
    상기 빔 분할부는, 입사된 빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 빔 스플리터와, 상기 빔 스플리터와 평행하게 배치되며 상기 반사빔이 입사되는 반사미러를 포함하되,
    상기 입사된 레이저 빔은 상기 반사미러에 의해 상기 빔 스플리터를 적어도 2회 경유하도록 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력되며,
    상기 빔 스플리터는 상기 반사미러에서 반사된 빔이 입사되는 복수의 영역을 가지되, 상기 복수의 영역 중 인접한 영역의 광 투과도는 서로 다른 것을 특징으로 하는 라인 빔 레이저 장치.
  8. 입사된 레이저 빔을 복수의 빔으로 분할하는 빔 분할부; 및
    상기 복수의 분할된 빔 경로 상에 배치되어 상기 복수의 분할된 빔 각각을 선형 변환하는 실린더 렌즈;를 포함하되,
    상기 빔 분할부는 각각의 반사면이 서로 마주하도록 평행하게 배치된 제1 및 제2 반사미러와, 상기 제1 및 제2 반사미러 사이에 배치되며 입사된 빔을 복수의 빔으로 분할하여 투과시키는 회절격자 빔 스플리터를 포함하며,
    상기 입사된 레이저 빔은 상기 제1 및 제2 반사미러에 의해 상기 회절격자 빔 스플리터를 적어도 1회 경유하도록 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 레이저 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 분할된 빔의 개수는 10 이상인 것을 특징으로 하는 라인 빔 레이저 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 펨토초 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 라인 빔 레이저 장치.
  11. 입사된 레이저 빔을 복수의 빔으로 분할하는 빔 분할부 및 상기 복수의 분할된 빔 경로 상에 배치되어 상기 복수의 분할된 빔 각각을 선형 변환하는 실린더 렌즈를 구비하는 라인 빔 레이저 장치; 및
    상기 라인 빔 레이저 장치에서 출력된 라인 빔 중 측정대상물에 의해 반사된 빔을 검출하기 위한 반사빔 검출부;
    를 포함하는 표면 측정 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 라인 빔 레이저 장치에서 출력된 라인 빔 중 측정대상물에 의해 산란된 빔을 검출하기 위한 산란빔 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 측정 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 측정대상물에 의해 산란된 빔의 경로 상에 배치된 집광렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 측정 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 라인 빔 레이저 장치에서 출력된 라인 빔의 라인 방향과 다른 방향으로 상기 측정대상물을 이동시키기 위한 스테이지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 측정 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 스테이지의 이동방향은 상기 레이저빔이 측정대상물에 주사되는 방향과 수직인 것을 특징으로 하는 표면 측정 장치.
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