KR100900685B1

KR100900685B1 - 다중 빔 레이저 장치 및 빔 스플리터

Info

Publication number: KR100900685B1
Application number: KR1020070072316A
Authority: KR
Inventors: 김택겸; 김배균; 이창윤; 홍상수
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2009-06-01
Also published as: KR20090008942A

Abstract

본 발명은 다중 빔 레이저 장치 및 빔 스플리터에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면은 입사된 레이저 빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 빔 스플리터 및 반사 면이 상기 빔 스플리터를 마주보도록 배치된 반사미러;를 포함하고, 상기 입사된 레이저 빔은 상기 빔 스플리터를 적어도 2회 경유하도록 상기 반사미러에 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력되며, 상기 빔 스플리터는 상기 반사미러에서 반사된 빔이 입사되는 복수의 영역을 가지되, 상기 복수의 영역은 인접한 영역의 광 투과도가 서로 다르며 상기 빔이 전반사되는 영역을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 반사미러와 함께 하나의 빔 스플리터 만을 사용하여 레이저 빔으로부터 복수의 출사 빔을 얻을 수 있고, 출력 빔의 강도를 균일하게 할 수 있으며, 나아가, 기판 등의 가공 시에 원하는 가공 패턴과 같은 출력 빔을 얻을 수 있는 다중 빔 레이저 장치 및 빔 스플리터를 제공할 수 있다.

다중 빔, 멀티 빔, 레이저 가공, 빔 스플리터, 빔 분할, 펨토초 레이저, 광 투과도

Description

다중 빔 레이저 장치 및 빔 스플리터{MULTI BEAM LASER APPARATUS AND BEAM SPLITTER}

본 발명은 다중 빔 레이저 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 반사미러와 함께 하나의 빔 스플리터 만을 사용하여 레이저 빔으로부터 복수의 출사 빔을 얻을 수 있고, 출력 빔의 강도를 균일하게 할 수 있으며, 나아가, 기판 등의 가공 시에 원하는 가공 패턴과 같은 출력 빔을 얻을 수 있는 다중 빔 레이저 장치 및 빔 스플리터에 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.

도 1에는 종래 기술에 따른 다중 빔 레이저 장치가 도시되어 있다.

도 1을 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 분할하여 레이저 어닐링 등의 효율성을 높이기는 하나, 분할하고자 하는 빔의 수만큼의 분할 수단이 필요하다. 즉, 도 1의 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 반사미러와 함께 하나의 빔 스플리터 만을 사용하여 레이저 빔으로부터 복수의 출사 빔을 얻을 수 있고, 출력 빔의 강도를 균일하게 할 수 있으며, 나아가, 기판 등의 가공 시에 원하는 가공 패턴과 같은 출력 빔을 얻을 수 있는 다중 빔 레이저 장치 및 빔 스플리터를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 측면은,

입사된 레이저 빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 빔 스플리터 및 반사 면이 상기 빔 스플리터를 마주보도록 배치된 반사미러;를 포함하고, 상기 입사된 레이저 빔은 상기 빔 스플리터를 적어도 2회 경유하도록 상기 반사미러에 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력되며, 상기 빔 스플리터는 상기 반사미러에서 반사된 빔이 입사되는 복수의 영역을 가지되, 상기 복수의 영역은 인접한 영역의 광 투과도가 서로 다르며 상기 빔이 전반사되는 영역을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 빔 스플리터와 상기 반사미러는 서로 평행하게 배치된 것일 수 있다.

또한, 상기 복수의 출력 빔은 각각의 광 강도가 서로 동일한 것이 가공 품질 향상 측면에서 바람직하다.

한편, 상기 복수의 출력 빔은 각각의 광 강도를 최대한으로 동일하게 하기 위해, 상기 전반사 영역을 제외한 상기 복수의 영역 중 상기 반사미러에서 반사된 빔이 n번째 입사되는 영역의 광 투과도(T_n)는 다음의 식에 의해 정해지되,

,

여기서, N은 출력 빔의 개수이며, n은 N보다 작거나 같은 것이 바람직하다.

삭제

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 전반사 영역은 외부로 출력될 분할 빔의 패턴에 따라 상기 빔 스플리터에 형성된 것이 바람직하며, 이에 따라, 원하는 가공 형상대로 출력 빔을 패턴화할 수 있다.

한편, 가공 효율 향상 측면에서, 상기 레이저 빔은 펨토초 레이저 빔인 것이 바람직하다.

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

본 발명의 다른 측면은,

입사된 빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 빔 스플리터에 있어서, 길이 방향으로 순차적으로 형성된 복수의 빔 입사 영역을 가지되, 상기 복수의 빔 입사 영역은 인접한 영역의 광 투과도가 서로 다르며 하나 이상의 전반사 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 스플리터를 제공한다.

이 경우, 상기 전반사 영역을 제외한 상기 복수의 빔 입사 영역 중 n번째 영역의 광 투과도(T_n)는 다음의 식에 의해 정해지되,

,

여기서, N은 외부로 출력되는 빔의 개수이며, n은 N보다 작거나 같은 것이 바람직하다.

또한, 상기 전반사 영역은 외부로 출력될 분할 빔의 패턴에 따라 형성되는 것이 바람직하다.

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 장치에 대한 개략도이다.

본 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치(20)는 레이저 빔(L)을 출사하는 광원, 반사미러(21), 빔 스플리터(22)를 갖추어 구성된다. 여기서, 상기 반사미러(21)와 빔 스플리터(22)는 서로 평행하게 형성된다. 다만, 상기 구성 요소들(21,22)이 서로 평행을 이루지 않는 경우라도, 출력 빔들이 서로 평행하지 않게 될 수는 있으나, 빔을 분할하는 기능에는 문제가 없으므로, 본 발명은 본 실시 형태의 배치 구조에만 한정되는 것은 아니며, 빔을 분할하여 외부에 출력할 수 있는 구조라면 상기 반사미러(21)와 빔 스플리터(22)가 평행이 아니어도 관계없다.

이하, 상기 다중 빔 레이저 장치(20)에서 빔이 분할되어 복수의 빔으로 출력되는 원리를 설명한다.

우선, 광원으로부터 발진 된 레이저 빔(L)은 소정의 입사각(θ)으로 반사미러(21)에 입사되며, 대응하는 반사각을 갖고 반사된다. 이후, 반사미러(21)에 의해 반사된 빔은 빔 스플리터(22)를 향하여 진행되어 입사되고, 상기 빔 스플리터(22)에 의해 투과 및 반사 빔으로 분할된다. 이 경우, 상기 투과 빔은 외부로 출력되며, 반사 빔은 다시 상기 반사미러(21)를 향해 진행된다.

즉, 상기 레이저 광원에서 출사된 빔(L)은 상기 반사미러(21)에 의해 상기 빔 스플리터(22)를 적어도 2회 경유하도록 입사되어 복수의 분할된 빔으로 출력될 수 있는 것이다.

한편, 상기 빔 스플리터(22)는 상기 반사미러(21)로부터 입사된 빔이 입사되는 복수의 영역을 가지며, 상기 복수의 영역 중 인접한 영역은 광 투과도가 서로 다른 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 빔 스플리터(22)의 광 투과도를 영역에 따라 적절히 조절하면 외부 출력 빔들의 강도를 서로 동일하게 할 수 있다. 또한, 상기 빔 스플리터(22)에서 검은색으로 칠해진 부분은 레이저 빔이 투과하지 못하는 전반사 영역에 해당한다.

이하, 상기 빔 스플리터(22)의 광 투과도의 조절에 관한 사항을 도 3을 함께 참조하여 설명한다. 도 3은 도 2에 도시된 빔 스플리터(22)를 보다 상세히 나타낸 단면도이다.

도 3을 참조하면, 상기 빔 스플리터(22)는 단면을 기준으로 할 때, 길이방향 으로 형성된 복수의 레이저빔 입사 영역을 가지되, 상기 복수의 입사 영역 중 인접한 영역의 광 투과도는 서로 다르게 형성된다. 여기서, 길이방향은 레이저 빔이 상기 반사미러(21)와 빔 스플리터(22)를 거치면서 외부로 출력되기 위해 진행하는 방향을 말하며, 이는 도 3의 빔 스플리터(22)에서는 좌측에서 우측 방향에 해당한다.

도 2의 배치 구조와 레이저 빔의 진행 경로를 살펴보면, 레이저 빔은 상기 반사미러(21)에 의해 반사되어 상기 입사 영역에 순차적으로 입사된다.

구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 출력 빔의 강도를 동일하게 하기 위해 상기 레이저빔 입사 영역 중 전반사 영역을 제외한 영역의 광 투과도는 길이 방향으로 각각 12.5%, 14.3%, 16.7%, 20%, 25%, 33.3%, 50%가 된다. 한편, 도 3에서 광 투과도가 표시된 영역들 사이의 사선으로 표시된 영역은 전반사 영역으로서 광 투과도가 거의 0에 가까운 영역에 해당한다.

이에 따라, 상기 빔 스플리터(22)에 첫 번째로 입사된 빔 중 투과되는 광의 강도는 최초 입사된 레이저 빔(L)의 강도에 대하여 12.5%가 된며, 상기 빔 스플리터(22)에 의해 반사되어 상기 반사미러(21)에 다시 입사 및 반사되는 빔의 강도는 87.5%가 된다. 이후, 상기 87.5% 강도의 빔은 상기 빔 스플리터(22)의 두 번째 입사영역에 입사되면서 이 중 14.3%인 12.5%가 투과되어 외부로 출력된다. 마찬가지 방식으로 상기 입사영역에서 반사된 빔의 강도는 87.5%에서 12.5%를 제외한 75%가 된다. 상기 75% 강도의 빔은 상기 반사미러(21)와 전반사 영역에 의해 반사되어 세 번째 입사 영역에 입사된다.

이와 같은 방식으로 상기 빔 스플리터(22)와 반사미러(21)에 의해 반사와 투 과를 거치는 동안 상기 레이저 빔(L)은 8개의 빔으로 분할되며 각각의 분할된 빔은 모두 12.5% 강도를 갖게 된다. 즉, 본 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치(20)는 입사 빔을 복수의 빔으로 분할하여 이를 평행 하게 출력할 수 있는 것 외에, 출력 빔들의 광 강도를 모두 동일하게 할 수 있다.

나아가, 상술한 바와 같이, 상기 빔 스플리터(22)에는 빔이 외부로 출력되는 영역들 사이에 배치된 전반사 영역이 존재하여 출력되는 빔들의 간격을 조절할 수 있다. 즉, 기판 등의 가공 시에, 가공하고자하는 영역이 연속적이지 않은 경우, 상기 빔 스플리터(22)의 전반사 영역을 원하는 가공 영역에 맞도록 패터닝할 수 있다. 이 경우, 상기 전반사 영역은 기판 등의 가공 대상물에서 가공이 되지 않는 영역에 대응한다.

한편, 본 실시 형태에서는 출력 빔이 8개인 경우를 설명하였으나, 레이저 빔(L)이 상기 반사미러(21)에 입사되는 각(θ)을 조절하여 더 많은 수의 출력 빔을 얻을 수도 있으며, 이 경우, 출력 빔의 광 강도가 동일하게 되기 위해서 빔 스플리터의 광 투과도 패턴은 달라질 필요가 있다.

도 4는 본 발명에 따른 빔 스플리터의 일반적인 광 투과도 패턴을 나타내는 단면도이다.

도 4를 참조하면, 빔 스플리터(42)는 전반사 영역이 아닌 n개의 영역(a₁,a₂ … a_n _-1, a_n)과 k개의 전반사 영역으로 구성되며, 도 3의 경우와 마찬가지로 인접한 영역의 광 투과도는 서로 다르다. 상기 빔 스플리터(42)를 투과하여 외부로 출력되는 빔들의 강도를 서로 동일하게 하기 위해 상기 n개의 영역(a₁,a₂ … a_n _-1, a_n)의 광 투과도는 적절히 조절될 수 있다.

이를 위한 상기 n개의 영역(a₁,a₂ … a_n-1, a_n)의 광 투과도는 다음의 수학식1과 같다.

여기서, 상기 T_n은 상기 빔 스플리터의 n번째로 입사되는 영역(a_n)의 광 투과도이며, 도 2와 같은 광학계를 기준으로는 상기 빔 스플리터에 n번째로 빔이 입사되는 영역의 광 투과도를 말한다. 또한, N은 출력 빔의 개수이며, n은 N보다 작거나 같은 자연수이다. 상기 식을 살펴보면, 도 2 및 도 3에서 설명한 빔 스플리터의 광투과도는 N은 8이며, n은 7인 경우임을 알 수 있다.

도 5를 참조하여 N이 20인 경우에 상기 빔 스플리터의 영역별 광 투과도 패턴을 설명한다.

우선, n이 1인 경우, 즉, a1의 광투과도 T₁은 100% / [(20-1)+1]를 계산하면, 5%가 된다.

마찬가지 방식으로 계산하면, T₂ 는 약 5.26% 가 되고, T3는 5.56% 가 된다.

또한, T₁₈은 33.3% 이며, T₁₉는 50%가 된다. 이와 같은 광 투과도를 패턴을 갖는 상기 빔 스플리터에 의해, 19개의 빔이 동일한 강도를 가지고 출력될 수 있으며, 1개의 빔은 상기 빔 스플리터의 19번째 영역 및 미도시된 반사미러에 의해 반사되어 외부로 출력된다. 이 경우, 마지막 1개의 빔의 강도가 다른 출력 빔들의 강도와 같음을 알 수 있다.

다만, 도 5에서는 도시하지 않았으나, n이 20인 경우에는, T₂₀은 100%가 된다. 즉, n이 N과 같은 경우도 생각할 수 있으며, 이 경우, n번째 영역의 광 투과도는 100%가 된다. 그러나, n이 N-1인 경우가 빔 스플리터의 길이를 줄일 수 있으며 제조 공정 면에서도 효율적이라 할 것이며, 이 경우에는 n번 째 영역의 광 투과도는 50%가 된다.

상기 빔 스플리터에서 광 투과도가 서로 다른 복수의 영역을 형성하는 것은 표면에 반사 코팅의 정도를 순차적으로 조절하는 방법으로 수행될 수 있다.

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 가공 도 가능하게 된다. 또한, 이러한 극초단 펄스 레이저 빔을 가공물에 방사 하면 재료의 구성격자에 멀티 포톤 현상이 발생하고 이에 의한 원자의 들뜸 현상이 일어나는 동안 광자가 주위의 구성 격자에 열을 전달하는 시간보다 입사 펄스가 짧으므로 가공물이 가공되는 동안 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 발명과 같은 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.

도 6은 도 2의 실시 형태에 따른 다중 빔 레이저 장치를 사용하여 기판을 가공하는 것을 나타낸 것이다.

상기 다중 빔 레이저 장치에 의해 소정의 패턴을 가지고 출력된 복수의 빔들 은 집광 렌즈(61)를 거쳐 기판(70)의 표면에 조사된다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 다중 빔 레이저 장치에서 출력된 빔들은 상기 기판(70)의 표면 상에 소정의 패턴으로 조사되는 것이다. 이와 같이 기판(70) 상에 빔이 조사되는 패턴은 상술한 바와 같이, 상기 전반사 영역의 개수와 길이 및 상기 집광 렌즈(61)의 배치 구조, 초점 거리 등에 의해 적절히 조절될 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 다중 빔 레이저 장치를 나타내는 개략도이다.

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

도 3은 도 2에 도시된 빔 스플리터를 보다 상세히 나타낸 단면도이다.

도 5는 N이 20인 경우 빔 스플리터의 영역별 광 투과도 패턴을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

21: 반사미러 22: 빔 스플리터

61: 집광 렌즈 70: 기판

Claims

입사된 레이저 빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 빔 스플리터; 및

반사 면이 상기 빔 스플리터를 마주보도록 배치된 반사미러;를 포함하고,

상기 입사된 레이저 빔은 상기 빔 스플리터를 적어도 2회 경유하도록 상기 반사미러에 입사되어 상기 빔 스플리터를 통하여 복수의 분할된 빔으로 출력되며,

상기 빔 스플리터는 상기 반사미러에서 반사된 빔이 입사되는 복수의 영역을 가지되,

상기 복수의 영역은 인접한 영역의 광 투과도가 서로 다르며 상기 빔이 전반사되는 영역을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.
제1항에 있어서,

상기 빔 스플리터와 상기 반사미러는 서로 평행하게 배치된 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.
제1항에 있어서,

상기 복수의 출력 빔은 각각의 광 강도가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.
제1항에 있어서,

상기 전반사 영역을 제외한 상기 복수의 영역 중 상기 반사미러에서 반사된 빔이 n번째 입사되는 영역의 광 투과도(T_n)는 다음의 식에 의해 정해지되,

,

여기서, N은 출력 빔의 개수이며, n은 N보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 전반사 영역은 외부로 출력될 분할 빔의 패턴에 따라 상기 빔 스플리터에 형성된 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.
제1항에 있어서,

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

상기 빔 스플리터를 통하여 출력된 상기 복수의 분할된 빔의 진행 방향에 배치된 집광 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 빔 레이저 장치.
입사된 빔을 투과빔과 반사빔으로 분할하는 빔 스플리터에 있어서,

길이 방향으로 순차적으로 형성된 복수의 빔 입사 영역을 가지되,

상기 복수의 빔 입사 영역은 인접한 영역의 광 투과도가 서로 다르며 하나 이상의 전반사 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 스플리터.
제9항에 있어서,

상기 전반사 영역을 제외한 상기 복수의 빔 입사 영역 중 n번째 영역의 광 투과도(T_n)는 다음의 식에 의해 정해지되,

,

여기서, N은 외부로 출력되는 빔의 개수이며, n은 N보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 빔 스플리터.
제9항에 있어서,

상기 전반사 영역은 외부로 출력될 분할 빔의 패턴에 따라 형성된 것을 특징으로 하는 빔 스플리터.