KR100939043B1 - 레이저 가공장치 - Google Patents

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에이피시스템 주식회사
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
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    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/042—Automatically aligning the laser beam

Abstract

본 발명에 따른 레이저 가공장치는 레이저 빔을 발진시키는 레이저 발진부; 레이저 발진부에서 발진된 레이저 빔을 소정의 빔 폭을 구비한 빔 프로파일의 에너지 밀도를 가지도록 변환하는 광학계; 광학계에서 변환된 레이저 빔이 투과되며, 투과된 레이저 빔이 내부에 배치된 공정대상물에 조사되는 챔버; 레이저 발진부와 챔버 사이에 배치되며, 레이저 빔을 반사시키는 반사기; 및 챔버로 조사되는 레이저 빔을 정렬하기 위한 레이저 빔 정렬유닛;을 구비하는 레이저 가공장치에 있어서, 레이저 빔 정렬유닛은, 반사기와 공정대상물 사이에 설치되어 레이저 빔의 진행 경로 상에 배치되며, 레이저 빔이 통과 가능하도록 레이저 빔의 단면적 보다 더 크게 관통 형성된 관통공이 형성된 정렬부재; 반사기에서 반사된 레이저 빔의 진행경로가 조절되도록 반사기를 구동하는 구동기; 및 정렬부재의 관통공을 통과하는 것으로 검출된 레이저 빔을 기초로 레이저 빔의 중심과 관통공의 중심 간의 거리가 조절되도록 구동기를 제어하는 제어기;를 구비한다.
레이저 어닐링, 엑시머 레이저, 정렬(alignment), 호모지나이저

Description

레이저 가공장치{Laser process equipment}
본 발명은 레이저 가공장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공정대상물로 조사되는 레이저 빔이 정렬 가능하며 나아가 레이저 빔의 정렬 변경시 보정이 용이하도록 구조가 개선된 레이저 가공장치에 관한 것이다.
유기 발광 다이오드 디스플레이(Organic Light Emitting Diode Display) 또는 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display) 등의 기판으로는 일반적으로 유리기판이 사용된다. 그리고, 이 유리기판은 레이저 어닐링 공정을 거친 후, 결정화되거나 결정화도(crystallinity)가 향상되는데, 이러한 레이저 어닐링 공정은 도 1에 도시된 레이저 어닐링 장치에 의해 이루어진다.
도 1을 참조하면, 종래의 레이저 어닐링 장치(100')는 엑시머 레이저(Excimer Laser) 빔을 방출하는 레이저 발진부(10')와, 레이저 빔을 반사하는 다수의 반사기와, 텔레스코프 렌즈(telescope lens)(미도시), 호모지나이저(homogenizer)(미도시), 필드 렌즈(field lens)(미도시) 및 프로젝션 렌즈(projection lens)(24') 등을 포함하는 광학계와, 유리기판(33')이 내부에 배치되는 챔버(30')를 포함한다. 호모지나이저는 제2반사기(43')와 제3반사기(44') 사 이에 배치되어 있다. 그리고, 제1보조반사기(41')와 제1반사기(42') 사이에는 어테뉴에이터(46')가 배치되어 있다. 제1보조반사기(41')는 엑츄에이터(미도시)에 의해 화살표 방향으로 직선 이동 가능하게 배치되어, 레이저 발진부(10')에 방출된 레이저 빔은 에너지 미터(47')에 의해 측정 가능하다. 또한, 제2보조반사기(45')는 엑츄에이터(미도시)에 의해 화살표 방향으로 직선 이동 가능하게 배치되어 있어서, 제2보조반사기(45)에서 반사된 레이저 빔은 에너지 미터(47')에 의해 측정 가능하다. 그리고, 제1반사기(42') 및 제2반사기(43')에는 각각 한 쌍의 마이크로미터(611',621')가 결합되어 있어서, 마이크로미터의 구동에 의해 제1반사기(42') 및 제2반사기(43')의 반사면과 레이저 빔 간의 각도가 조절되어 레이저 빔의 반사 방향이 변경 가능하다. 그리고, 도 1에 도시된 일점쇄선은 레이저 빔의 광 경로를 지시한다.
상술한 바와 같이 구성된 레이저 어닐링 장치(100')에 있어서, 유리기판(33')에 원하는 모양과 빔 프로파일의 레이저 빔을 조사하기 위해서는, 광학계의 정렬(alignment)이 필요하다. 이러한 광학계의 정렬은 로 빔(raw beam) 정렬, 광학 부품의 정렬 및 파인 튜닝(fine tuning)으로 대별되며, 특히 로 빔 정렬이 중요하다.
로 빔 정렬, 즉 레이저 발진부(10')에서 방출된 레이저 빔을 정렬하기 위해서는 레이저 빔이 일정한 높이에서 광 경로의 수평 또는 수직으로 진행하여 최종적으로 광학계의 중심으로 진행하도록 해야 한다. 그리고, 이러한 로 빔 정렬은 마이크로미터를 구동하여 제1반사기(42') 및 제2반사기(43')를 조절함으로써 이루어 진다. 특히, 광 경로 중 가우시안 프로파일을 가지는 레이저 빔 프로파일을 플랫-탑(flat-top) 형태로 변환시켜주는 호모지나이저가 배치되는 부분의 광 경로, 제2반사기(43')와 제3반사기(44') 사이에서 레이저 빔이 평행하게 진행하도록 하는 것이 중요하다.
이와 같이 제2반사기(43')와 제3반사기(44') 사이를 진행하는 레이저 빔을 정렬(alignment)하기 위해서, 방출된 레이저 빔이 제1반사기(42')의 중심으로 조사되도록 레이저 발진부(10')를 조절하고 제1반사기에서 반사된 레이저 빔이 제2반사기(43')의 중심으로 조사되도록 마이크로미터를 구동하여 제2반사기를 조절한 후, 한 쌍의 크로스헤어(cross-hair)(50')를 제2반사기(42')와 제3반사기(43') 사이에 설치하고, 각 마이크로미터(611',621')를 구동하여 제1반사기(42') 및 제2반사기(43')를 조절함으로써 레이저 빔이 한 쌍의 크로스헤어(50')의 중심을 통과시키면 된다. 보다 구체적으로 살펴보면, 제2반사기(43')와 제3반사기(44') 사이의 광학 레일(미도시) 상에 한 쌍의 크로스헤어(50')가 서로 일정 간격 이격되게 설치하고, 제1반사기의 마이크로미터(611') 및 제2반사기의 마이크로미터(621')를 각각 구동하여 레이저 빔이 한 쌍의 크로스헤어(50')의 중심을 통과하도록 조절함으로써 레이저 빔이 각 크로스헤어의 중심을 통과하여 평행하게 진행하도록 정렬한다. 여기서, 각 크로스헤어(50')의 중심은 서로 동축적으로 배치되어 있으며, 레이저 빔이 크로스헤어의 중심을 통과하는 점은 번 페이퍼(burn paper)(미도시)를 이용하여 확인되며, 레이저 빔의 정렬 후에는 크로스헤어(50')가 제거되어야 한다.
그런데, 상술한 바와 같은 크로스헤어(50')를 이용한 정렬 과정에서는, 정렬 과정이 수차례에 걸쳐 반복적으로 진행되어야 하는 번거로움이 있으며, 레이저 빔의 진행 상태를 확인하기 위해서 일일이 번 페이퍼를 사용하여 체크해야하며, 각 마이크로미터(611',621')를 수동으로 반복적으로 조절해야하는 불편함이 있다. 또한, 정렬 과정이 사람에 의해 이루어지는 바, 레이저 빔에 의해 직접 및 간접적으로 또는 실수에 의해 인체가 악영향을 받을 수도 있다.
그리고, 레이저 어닐링 장치의 사용과정에서, 레이저 어닐링 장치(100')에 발생하는 변화, 예를 들어 레이저 캐비티 윈도우(laser cavity window)의 클리닝 또는 교환, 레이저 튜브 정렬 또는 공진기(resonator)의 클리닝 또는 교환 시에 레이저 빔 프로파일에 변화가 발생하는 경우에는, 기본적으로 광학계를 통하는 레이저 빔의 상태를 확인해줘야 하며, 이를 위해서는 광학계를 분리한 후, 상술한 바와 같이 크로스헤어를 설치한 후 확인 보정해 줘야하므로, 상술한 바와 같은 문제점들이 야기된다.
한편, 일반적으로 유리기판(33') 상에 조사되는 레이저 빔의 프로파일은 플랫-탑 형태가 일반적이나. 공정을 최적화하기 위해서는 다양한 형태의 빔 프로파일에 대한 공정 테스트를 통해서 최적의 빔 프로파일을 선정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 사선 형태의 빔 프로파일이 적용될 수 있다. 그러나, 이러한 빔 프로파일을 변경하기 위해서는, 레이저 발진부(10')의 도어를 열고 공진기, 특히 아웃풋 커플러(output coupler)에 구비된 마이크로미터(611',621')를 조절하거나 광학계의 커버를 열고 제1반사기(42') 및 제2반사기(43')에 구비된 마이크로미터(611',621')를 조절해야 하는 번거로움이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 레이저 빔과의 직접 및 간접적인 신체 접촉을 방지할 수 있고, 레이저 빔을 자동으로 용이하게 정렬할 수 있으며, 레이저 발진부의 캐비티 윈도우 및 공진기 각각의 클리닝 및 교환 등의 작업에 의한 레이저 빔의 광 경로 변경시 레이저 빔을 광학 부품의 분리 없이 용이하게 정렬할 수 있으며, 나아가 레이저 빔의 정렬 상태를 실시간으로 모니터링하여 이를 자동으로 보정함으로써 공정대상물로 조사되는 레이저 빔의 형상 및 프로파일을 균일하게 유지할 수 있도록 하는 레이저 가공장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 레이저 빔의 일부가 차단 가능하도록 구조가 개선되어 공정대상물로 조사되는 레이저 빔의 최종 프로파일을 변경하여 공정조건을 최적화할 수 있는 레이저 가공장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 레이저 가공장치는 레이저 빔을 발진시키는 레이저 발진부; 상기 레이저 발진부에서 발진된 레이저 빔을 소정의 빔 폭을 구비한 빔 프로파일의 에너지 밀도를 가지도록 변환하는 광학계; 상기 광학계에서 변환된 레이저 빔이 투과되며, 상기 투과된 레이저 빔이 내부에 배치된 공정대상물에 조사되는 챔버; 상기 레이저 발진부와 상기 챔버 사이에 배치되며, 상기 레이저 빔을 반사시키는 반사기; 및 상기 챔버로 조사되는 레이저 빔을 정렬(alignment)하기 위한 레이저 빔 정렬유닛;을 구비하는 레이저 가공장치에 있어서, 상기 레이저 빔 정렬유닛은, 상기 반사기와 공정대상물 사이에 설치되어 상기 레이저 빔의 진행 경로 상에 배치되며, 상기 레이저 빔이 통과 가능하도록 상기 레이저 빔의 단면적 보다 더 크게 관통 형성된 관통공이 형성된 정렬부재; 상기 반사기에서 반사된 레이저 빔의 진행경로가 조절되도록 상기 반사기를 구동하는 구동기; 및 상기 정렬부재의 관통공을 통과하는 것으로 검출된 상기 레이저 빔을 기초로 상기 레이저 빔의 중심과 상기 관통공의 중심 간의 거리가 조절되도록 상기 구동기를 제어하는 제어기;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
레이저 빔의 정렬시 레이저 빔과의 직접 및 간접적인 신체 접촉을 방지할 수 있게 된다. 또한, 레이저 빔을 자동으로 용이하게 정렬할 수 있으며, 레이저 발진부의 캐비티 윈도우 및 공진기 각각의 클리닝 및 교환 등의 작업에 의해 레이저 빔의 광 경로 변경시 레이저 빔을 광학 부품의 분리 없이 용이하게 정렬할 수 있다. 그리고, 레이저 빔의 정렬 상태를 실시간으로 모니터링하여 이를 자동으로 보정함으로써 공정대상물로 조사되는 레이저 빔의 형상 및 프로파일을 균일하게 유지할 수 있다. 또한, 공정대상물로 조사되는 레이저 빔의 최종 프로파일을 변경하여 공정조건을 최적화할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치의 개략적인 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 한 쌍의 정렬부재의 개략적인 사시도이며, 도 4는 도 2에 도시된 레이저 가공장치에 있어서 레이저 빔의 정렬 제어를 설명하기 위한 제어 블록도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예의 레이저 가공장치(100)는 종래기술에서 설명한 바와 마찬가지로 레이저 어닐링장치로 구성된다. 도 2에 도시된 일점쇄선은 레이저 빔의 광 경로를 지시한다.
레이저 가공장치(100)는 레이저 발진부(10)와, 광학계(20)와, 챔버(30)와, 반사기와, 레이저 빔 정렬유닛을 구비한다.
레이저 발진부(10)는 레이저 빔, 예를 들어 엑시머 레이저 빔을 발생시켜 발진시킨다.
광학계(20)는 레이저 빔을 소정의 빔 폭을 구비한 빔 프로파일의 에너지 밀도를 가지도록 변환한다. 광학계(20)는 텔레스코프 렌즈(21), 호모지나이저(22), 필드 렌즈(23) 및 프로젝션 렌즈(24) 등 다수의 광학 부품을 포함하며, 레이저 빔을 확대, 균질화시켜 대략 장방형의 레이저 빔으로 변환하는 기능을 한다.
챔버(30)는 어닐링 공정이 이루어지는 내부공간(31)을 가진다. 챔버의 내부공간(31)에는 스테이지(32)가 설치되며, 스테이지(32)에는 공정대상물, 즉 레이저 어닐링되는 유리 기판(33)이 배치된다. 챔버(30)의 상측에는 광학계(20)에서 변환된 레이저 빔이 투과되는 투명한 윈도우(34)가 설치되어 있다.
반사기는 레이저 빔을 반사시킨다. 반사기는 레이저 발진부(10)와 챔버(30) 사이에 배치되어 있다. 본 실시예에서 반사기는 복수, 특히 5개 설치되어 있다. 즉, 레이저 빔의 진행 방향을 따라 순차적으로, 제1보조반사기(41), 제1반사기(42), 제2반사기(43), 제3반사기(44) 및 제2보조반사기(45)가 설치되어 있다. 제1보조반사기(41)와 제1반사기(42) 사이에는 어테뉴에이터(46)가, 제1반사기(42)와 제2반사기(43) 사이에는 텔레스코프 렌즈(21)가, 제2반사기(43)와 제3반사기(44) 사이에는 호모지나이저(22) 및 필드 렌즈(23)가, 제3반사기(44)와 제2보조반사기(45) 사이에는 프로젝션 렌즈(24)가 설치되어 있다. 여기서, 제1보조반사기(41) 및 제2보조반사기(45)는 엑츄에이터(미도시)에 의해 직선 이동 가능하게 설치되어 있어서, 제1보조반사기(41)와 제2보조반사기(45)가 레이저 빔의 광 경로 상에 배치되는 경우에는 에너지 미터(47)를 통해 레이저 빔의 에너지를 측정할 수 있다.
레이저 빔 정렬유닛은 챔버(30)로 조사되는 레이저 빔을 정렬하기 위한 것이다. 레이저 빔 정렬유닛은 정렬부재(51,52)와, 구동기(61,62)와, 센서(71,72,73,74)와, 제어기(80)를 포함한다.
정렬부재(51,52)는 서로 인접한 반사기 사이에 설치되어 있으며, 레이저 빔의 진행 경로 상에 복수 배치되어 있다. 특히, 본 실시예에서는 정렬부재(51,52)는 제2반사기(43)와 제3반사기(44) 사이에 한 쌍이 배치되어 있다. 즉, 제2반사기(43)와 제3반사기(44) 사이에 레이저 빔의 진행방향을 따라 순차적으로 제1정렬부재(51) 및 제2정렬부재(52)가 배치되어 있다. 제1정렬부재(51)와 제2정렬부재(52)에는 각각 관통공(511,521)이 형성되어 있다. 관통공(511,521)은 레이저 빔 의 단면적 보다 더 크게 형성되어 있어서, 레이저 빔은 관통공(511,521)을 통과할 수 있다. 그리고, 제1정렬부재의 관통공(511) 및 제2정렬부재의 관통공(521)은 서로 동축적으로 배치되어 있다. 제1정렬부재(51)와 제2정렬부재(52)는 광학 레일(미도시)로부터 동일한 높이에 설치되어 있으며, 특히 본 실시예에서는 각 정렬부재의 관통공(511,521)의 중심(C)이 레일의 바닥면으로부터 90mm 높이에 배치되어 있다.
구동기(61,62)는 반사기를 구동하여 레이저 빔의 진행경로를 조절한다. 본 실시예에서, 구동기(61,62)는 레이저 발진부(10)와 정렬부재(51,52) 사이에 배치된 복수의 반사기, 특히 제1반사기(42) 및 제2반사기(43)를 각각 구동하도록 한 쌍 설치되어 있다. 즉, 제1구동기(61)는 제1반사기(42)를, 제2구동기(62)는 제2반사기(43)를 구동한다. 여기서, 각 구동기(61,62)는 종래 기술에서 설명한 바와 같은 한 쌍의 마이크로미터(611,621)를 포함하도록 형성되어 있다. 각 구동기의 마이크로미터(611,621)를 구동하게 되면, 레이저 빔의 진행 방향에 대한 반사기(42,43)의 반사각도를 변화시킬 수 있게 되므로, 레이저 빔이 반사되어 진행하는 경로를 조절할 수 있게 된다.
센서(71,72,73,74)는 입사되는 레이저 빔을 검출하며, 레이저 빔의 검출시 후술하는 제어기(80)로 검출신호를 출력한다. 본 실시예에서, 센서(71,72,73,74)는 포토센서로 구성되며 제1정렬부재(51) 및 제2정렬부재(52)에 각각 4개씩 결합되어 있다. 즉, 각 정렬부재(51,52)에는 제1센서(71), 제2센서(72), 제3센서(73) 및 제4센서(74)가 결합되어 있다.
제1센서(71) 및 제2센서(72)는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 각 관통 공(511,512)의 양측에 배치되어 좌우방향에 서로 마주하고 있으며, 제3센서(73) 및 제4센서(74)도 각 관통공(511,512)의 양측에 배치되어 상하방향에 서로 마주하고 있어서, 전체적으로 4개의 센서(71,72,73,74)는 각 관통공(511,521)을 중심(C)으로 방사형으로 배치되어 있다. 따라서, 서로 마주하는 센서(71,72;73,74) 간의 중심은 관통공(511,521)의 중심(C)과 일치한다. 그리고, 제1센서(71) 및 제2센서(72) 사이의 거리 및 제3센서(73) 및 제4센서(74) 사이의 거리는, 레이저 빔이 제1센서(71) 및 제2센서(72) 사이 및 제3센서(73) 및 제4센서(74) 사이로 통과 가능하도록 형성되어 있다. 즉, 서로 마주하는 한 쌍의 센서(71,72:73,74)는 동시에 레이저 빔을 검출할 수 없게 되며, 서로 마주하는 한 쌍의 센서(71,72:73,74) 중 어느 하나의 센서만이 관통공(511,521)을 통과하는 레이저 빔을 검출할 수 있게 된다. 예를 들어 제1센서(71) 및 제3센서(73)가 레이저 빔을 검출하면, 제2센서(71) 및 제4센서(74)는 레이저 빔을 검출할 수 없다.
제어기(80)는 각 센서(71,72,73,74)로부터 입력된 검출신호를 기초로 레이저 빔의 중심과 관통공(511,521)의 중심(C) 간의 거리가 조절되도록 제1구동기(61) 및 제2구동기(62)를 제어한다. 특히, 본 실시예에서 제어기(80)는 제1구동기의 한 쌍의 마이크로미터(611) 및 제2구동기의 한 쌍의 마이크로미터(621)를 각각 제어한다. 그리고, 제어기(80)는 제1구동기(61) 및 제2구동기(62)를 제어하여 레이저 빔의 중심이 제1정렬부재(51) 및 제2정렬부재(52) 각각의 관통공(511,521)의 중심(C)을 통과하도록 제어한다.
제어기(80)의 제어 과정의 일례를 살펴보면, 다음과 같다.
제어기(80)는, 제1구동기(61)를 제어하여 레이저 빔이 제1정렬부재의 관통공(511)의 중심(C)을 통과하도록 작동한다. 즉, 제어기(80)는 제1정렬부재에 결합된 제1센서(71), 제2센서(72), 제3센서(73) 및 제4센서(74)의 검출신호를 기초로 제1구동기(61)를 제어하며, 이에 따라 레이저 빔이 제1정렬부재의 관통공(511)의 중심(C)을 통과하도록 제어된다.
제1센서(71) 및 제2센서(72)를 이용하게 되면 레이저 빔이 각 정렬부재의 수평방향의 중심을 진행하도록 정렬할 수 있게 되며, 그 상세한 과정은 다음과 같다.
레이저 빔이 제1센서(71)와 접촉하여 제1센서가 검출신호를 출력하는 경우에는, 제어기(80)는 제2센서(72)가 검출신호를 출력하도록 제1구동기(61)를 구동하여 레이저 빔의 진행경로를 조절한다. 이 때에는 제2센서(72)만이 검출신호를 출력한다. 그리고 나서, 제어기(80)는 제1센서(71)가 검출신호를 다시 출력하도록 제1구동기(61)를 구동하여 레이저 빔의 진행경로를 조절한다. 이 때에는 제1센서(61)만이 검출신호를 출력한다. 그 후, 제어기(80)는 제1기준시간(t1) 동안 구동신호를 출력하여 레이저 빔이 제1센서(71)와 제2센서(72) 사이의 중앙을 통과하도록 제어한다. 여기서, 제1기준시간(t1)은 제2센서(72)가 검출신호를 출력하는 시점으로부터 제1센서(71)가 검출신호를 다시 출력하는 시점까지의 시간을 기초로 설정된다.
특히, 본 실시예에서는 제어기(80)는 제2센서(72)가 검출신호를 최초로 출력한 후 제1센서(71)가 검출신호를 다시 최초로 출력하도록 제1구동기(61)를 제어하게 구성되어 있으며, 이러한 경우에는 제1기준시간(t1)은 제2센서(72)가 검출신호를 최초로 출력하는 시점으로부터 제1센서(71)가 검출신호를 다시 최초로 출력하는 시점까지 시간의 절반으로서 제어기(80)에서 연산된다. 이와 같이 제1기준시간(t1) 동안 구동신호가 출력되면, 레이저 빔의 중심이 제1센서(71)와 제2센서(72) 사이의 중심선(C1)을 통과하도록 정렬할 수 있게 된다.
한편, 레이저 빔이 제1센서(71)와 제2센서(72) 사이를 통과하여 제1센서와 제2센서가 모두 검출신호를 출력하지 않는 경우에는, 제어기(80)는 제1센서(71)가 검출신호를 출력하도록 제1구동기(61)에 구동하여 레이저 빔의 진행경로를 조절한다. 이 때에는 제1센서(71)만이 검출신호를 출력한다. 그리고 나서, 제어기(80)는 제2센서(72)가 검출신호를 출력하도록 제1구동기(61)를 구동하여 레이저 빔의 진행경로를 조절한다. 이 때에는 제2센서(72)만이 검출신호를 출력한다. 그 후, 제어기(80)는 제2기준시간(t2) 동안 구동신호를 출력하여 레이저 빔이 제1센서(71)와 제2센서(72) 사이의 중앙을 통과하도록 제어한다. 여기서, 제2기준시간(t2)은 제1센서(71)가 검출신호를 출력하는 시점으로부터 제2센서(72)가 검출신호를 출력하는 시점까지의 시간을 기초로 설정된다.
특히, 본 실시예에서는 제어기(80)는 제1센서(71)가 검출신호를 최초로 출력한 후 제2센서(72)가 검출신호를 최초로 출력하도록 제어하게 구성되어 있으며, 이러한 경우에는 제2기준시간(t2)은 제1센서(71)가 검출신호를 최초로 출력하는 시점으로부터 제2센서(72)가 검출신호를 최초로 출력하는 시점(t2)까지 시간의 절반으로 서 제어기(80)에서 연산된다. 이와 같이 제2기준시간(t2) 동안 구동신호가 출력되면, 레이저 빔의 중심이 제1센서(71)와 제2센서(72) 사이의 중심선(C1)을 통과하도록 정렬할 수 있게 된다.
이와 같이, 제1센서(71)가 검출신호를 출력하든 출력하지 않든 간에, 제어기(80)는 구동신호를 제1기준시간(t1) 또는 제2기준시간(t2) 동안 출력하여, 레이저 빔의 중심이 제1센서(71)와 제2센서(72) 사이의 중심선(C1)을 통과하도록 제어할 수 있게 된다.
그리고, 제3센서(73) 및 제4센서(74)를 이용하게 되면 레이저 빔이 각 정렬부재의 수직방향의 중심을 설정할 수 있게 된다. 이와 같이 제3센서(73) 및 제4센서(74)를 이용하여 제어하는 과정도 제1센서와 제2센서를 이용하여 제어하는 과정과 동일하다. 즉, 제3센서(73)가 검출신호를 출력하는 경우에는, 제어기(80)는 제4센서(74)가 검출신호를 최초로 출력하도록 제1구동기(61)를 구동하고 제3센서(73)가 검출신호를 다시 최초로 출력하도록 제1구동기(61)를 구동한 후, 최종적으로 제3기준시간(t3) 동안 구동신호를 출력하여 레이저 빔을 정렬한다. 여기서, 제3기준시간(t3)은 제4센서(74)가 검출신호를 최초로 출력하는 시점으로부터 제3센서(73)가 검출신호를 다시 최초로 출력하는 시점까지 시간의 절반이다.
또한, 제3센서(73) 및 제4센서(74) 모두가 검출신호를 출력하지 않는 경우에는. 제어기(80)는 제3센서(73)가 검출신호를 최초로 출력하도록 제1구동기(61)를 구동하고 제4센서(74)가 최초로 검출신호를 출력하도록 제1구동기(61)를 구동한 후, 최종적으로 제4기준시간(t4) 동안 구동신호를 출력하여 레이저 빔을 정렬한다. 여기서, 제4기준시간(t4)은 제3센서(73)가 검출신호를 최초로 출력하는 시점으로부터 제4센서(74)가 검출신호를 최초로 출력하는 시점까지 시간의 절반이다.
이와 같이, 제3센서(73)가 검출신호를 출력하든 출력하지 않든 간에, 제어기(80)는 구동신호를 제3기준시간(t3) 또는 제4기준시간(t4) 동안 출력하여 레이저 빔의 중심이 제3센서(73)와 제4센서(74) 사이의 중심선(C2)을 통과하도록 제어한다.
상술한 바와 같이, 제어기(80)가 제1기준시간(t1) 또는 제2기준시간(t2) 동안 구동신호를 출력하면 레이저 빔의 중심이 제1센서(71) 및 제2센서(72) 사이의 중심선(C1)을 통과 가능하며, 제어기(80)가 제3기준시간(t3) 또는 제4기준시간(t4) 동안 구동신호를 출력하면 레이저 빔의 중심이 제3센서(73) 및 제4센서(74) 사이의 중심선(C2)을 통과 가능하다. 따라서, 제어기(80)가 제1기준시간(t1) 또는 제2기준시간(t2) 동안 구동신호를 출력함과 아울러 제3기준시간(t3) 또는 제4기준시간(t4) 동안 구동신호를 출력하게 되면, 레이저 빔의 중심이 제1센서(71)와 제2센서(72) 사이의 중심선(C1) 및 제3센서(73)와 제4센서(74) 사이의 중심선(C2) 모두를 통과하도록 정렬되어 궁극적으로 제1정렬부재의 관통공(511)의 중심(C)을 통과하게 정렬된다.
한편, 제어기(80)는, 제2구동기(62)를 제어하여 레이저 빔이 제2정렬부재의 관통공(521)의 중심(C)을 통과하도록 작동한다. 즉, 제어기(80)가 제2정렬부재(52)에 결합된 제1센서(71), 제2센서(72), 제3센서(73) 및 제4센서(74)의 검출신호를 기초로 제2구동기(62)를 제어하면, 레이저 빔이 제2정렬부재의 관통공(521)의 중심(C)을 통과하도록 정렬된다. 그리고, 레이저 빔이 제2정렬부재의 관통공(521)의 중심(C)을 통과하도록 제어되는 과정은, 레이저 빔의 중심이 제1정렬부재의 관통공(511)의 중심(C)을 통과하도록 제어되는 과정과 동일하므로, 여기서는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상술한 바와 같이, 제어기(80)는 제1구동기(61) 및 제2구동기(62)를 각각 제어하여 레이저 빔이 제1정렬부재 및 제2정렬부재 각각의 관통공(511,521)의 중심(C)을 통과 가능하며 제1정렬부재의 관통공(511)과 제2정렬부재의 관통공(521)이 동일 높이에 배치되어 있어서, 궁극적으로 레이저 빔이 각 관통공(511,521)의 중심(C)을 통과하면서 평행하게 진행하도록 정렬할 수 있게 된다. 이와 같이, 본 실시예에서는, 정렬부재(51,52)를 제거할 필요도 없이 제어기(80)를 통해 구동기(61,62)를 자동적으로 제어함으로써 레이저 빔을 정렬할 수 있으므로, 종래에 비해 레이저 빔의 정렬이 보다 용이하게 이루어질 수 있게 되며 정렬과정에서 레이저 빔에 인체가 노출될 염려도 없다.
한편, 레이저 빔의 정렬은 레이저 발진부(10)의 정비시에도 필요하다.
레이저 캐비티 윈도우(laser cavity window)의 클리닝 또는 교환에 따른 아웃풋 커플러(output coupler)(11)의 조절시, 공진기(resonator)의 클리닝 또는 교환시 및 레이저 튜브의 정렬 및 교환시에도 레이저 빔의 방향 및 빔 프로파일이 변 하게 된다. 이러한 변화는 레이저 빔이 광학계를 통과하는 동안 이전과 다른 특성을 가지게 되어 공정대상물로 조사되는 빔 프로파일의 변화를 초래하게 된다. 이러한 변화는 로 빔이 제대로 정렬되지 않았기 때문에 발생된다. 따라서, 앞서 설명한 바와 같이 레이저 빔을 정렬하게 되면, 레이저 발진부의 정비시 발생되는 레이저 빔의 프로파일 변화를 보정할 수 있으며, 특히 어닐링 공정 중에 예기치 않은 로 빔 정렬의 틀어짐이 발생하는 경우에도 이를 용이하게 보정하여 레이저 어닐링 공정을 안정적으로 수행할 수 있게 된다.
한편, 레이저 빔 정렬유닛은 센서 엑츄에이터(미도시)와, 정렬부재 엑츄에이터(90)를 더 포함한다.
센서 엑츄에이터(미도시)는 센서의 갯수 만큼 복수 구비되어, 각 센서(71,72,73,74)를 직선 구동한다. 즉, 각 센서(71,72,73,74)는 도 3에 화살표로 도시되어 있는 바와 같이 관통공의 중심(C)에 대해 접근 또는 이격되는 방향으로 직선 이동 가능하다. 이와 같이, 각 센서(71,72,73,74)가 센서 엑츄에이터에 의해 직선 이동하여 각 센서의 위치가 변경되면, 각 정렬부재에 결합된 4개의 센서의 중심을 각 정렬부재의 관통공(511,512)의 중심(C)으로부터 이격되게 배치할 수 있게 된다. 따라서, 사용자의 의도에 따라 레이저 빔의 중심이 관통공(511,512)의 중심(C)으로부터 이격되게 진행하도록 정렬할 수 있게 된다.
정렬부재 엑츄에이터(90)는 한 쌍이 구비되며, 각 정렬부재 엑츄에이터는 각 정렬부재(51,52)를 직선 구동한다. 각 정렬부재 엑츄에이터(90)는 각 정렬부재(51,52)를 각 정렬부재를 통과하는 레이저 빔의 진행 경로에 대해 교차하는 방 향, 특히 도 3에 화살표로 도시되어 있는 바와 같이 상하 및 수평방향으로 이동시킨다. 이와 같이 각 정렬부재(51,52)가 직선 이동 가능하므로, 도 5 도시되어 있는 바와 같이 레이저 빔이 제2반사기(43)와 제3반사기(44) 사이에서 평행하게 진행하도록 정렬된 상태에서, 어느 하나의 정렬부재(51,52), 예를 들어 제1정렬부재(51)를 상방으로 이동시키면, 레이저 빔의 일부가 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 제1정렬부재(51)에 의해 차폐되어 레이저 빔의 프로파일을 변경할 수 있게 된다.
한편, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 레이저 빔이 정렬된 상태에서, 제1구동기(61) 및 제2구동기(62) 중 적어도 하나를 구동하여 레이저 빔의 중심이 제1정렬부재(51)에 대해 직교하지 않고 교차하는 방향으로 입사되도록 레이저 빔을 기울이게 되면, 레이저 빔이 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 기울어진 상태로 진행하며 레이저 빔의 일부가 제1정렬부재(51)에 의해 차폐되어 레이저 빔의 프로파일을 변경할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 실시예에서는, 정렬부재(51,52)의 직선 이동 또는 구동기(61,62)의 구동에 의해 레이저 빔의 프로파일을 변경할 수 있게 된다. 따라서, 공정의 변수로서 작용하는 레이저 빔의 프로파일을 변경하여 최적의 공정 조건을 찾을 수 있게 된다.
그리고, 상술한 바와 같이 레이저 빔의 프로파일을 변경하기 위해, 본 실시예의 제어기(80)는 각 센서(71,72,73,74)로부터 입력된 검출신호를 기초로 레이저 빔의 프로파일이 변경되도록 구동기(61,62) 및 정렬부재 엑츄에이터(미도시) 중 적 어도 하나를 제어한다. 특히, 제어기는 구동기(61,62) 및 정렬부재 엑츄에이터(미도시)를 모두 제어하도록 구성되어 있어서, 앞서 설명한 바와 같이 레이저 빔이 평행하게 또는 기울어지게 진행하는 상태에서 레이저 빔의 일부가 차폐되어 레이저 빔의 프로파일이 변경되게 된다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
예를 들어, 본 실시예에서는 정렬부재가 한 쌍 구비되는 것으로 구성되어 있으나, 정렬부재가 하나 또는 세개 이상 구비되도록 구성할 수도 있다.
또한, 본 실시예에서는 각 정렬부재에 4개의 센서가 결합되도록 구성되어 있으나, 센서가 반드시 4개 구성될 필요는 없으며 예를 들어 서로 마주하는 한 쌍의 센서만 결합되도록 구성할 수도 있다.
또한, 본 실시예에서는 레이저 빔의 중심이 관통공의 중심을 통과하도록 구성되어 있으나, 기준시간을 다르게 설정하게 되면 레이저 빔의 중심이 관통공의 중심으로부터 이격되도록 구성할 수도 있다.
도 1은 종래의 일례에 따른 레이저 가공장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 한 쌍의 정렬부재의 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 레이저 가공장치에 있어서 레이저 빔의 정렬 제어를 설명하기 위한 제어 블록도이다.
도 5 내지 도 7은 도 2에 도시된 레이저 가공장치를 이용하여 레이저 빔의 프로파일의 변경을 설명하기 위한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10...레이저 발진부 20...광학계
30...챔버 20...빔 덤프
21...흡수부재 41,42,43,44,45...반사기
51,52...정렬부재 61,62...구동기
71,72,73,74...센서 80...제어기
100...레이저 가공장치 611,621...마이크로미터

Claims (9)

  1. 레이저 빔을 발진시키는 레이저 발진부; 상기 레이저 발진부에서 발진된 레이저 빔을 소정의 빔 폭을 구비한 빔 프로파일의 에너지 밀도를 가지도록 변환하는 광학계; 상기 광학계에서 변환된 레이저 빔이 투과되며, 상기 투과된 레이저 빔이 내부에 배치된 공정대상물에 조사되는 챔버; 상기 레이저 발진부와 상기 챔버 사이에 배치되며, 상기 레이저 빔을 반사시키는 반사기; 및 상기 챔버로 조사되는 레이저 빔을 정렬(alignment)하기 위한 레이저 빔 정렬유닛;을 구비하는 레이저 가공장치에 있어서,
    상기 레이저 빔 정렬유닛은,
    상기 반사기와 공정대상물 사이에 설치되어 상기 레이저 빔의 진행 경로 상에 배치되며, 상기 레이저 빔이 통과 가능하도록 상기 레이저 빔의 단면적 보다 더 크게 관통 형성된 관통공이 형성된 정렬부재;
    상기 반사기에서 반사된 레이저 빔의 진행경로가 조절되도록 상기 반사기를 구동하는 구동기; 및
    상기 정렬부재의 관통공을 통과하는 것으로 검출된 상기 레이저 빔을 기초로 상기 레이저 빔의 중심과 상기 관통공의 중심 간의 거리가 조절되도록 상기 구동기를 제어하는 제어기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 레이저 빔의 중심이 상기 관통공의 중심을 통과하도록 상기 구동기를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 레이저 빔 정렬유닛은, 상기 관통공의 양측에 배치되도록 상기 정렬부재에 각각 결합되며, 입사되는 레이저 빔을 검출하며, 상기 레이저 빔의 검출시 상기 제어기로 검출신호를 출력하는 제1센서 및 제2센서;를 더 구비하며,
    상기 제1센서 및 제2센서 간의 거리는, 상기 레이저 빔이 상기 제1센서 및 제2센서 사이로 통과 가능하도록 형성되어 있으며,
    상기 제어기는,
    상기 제1센서가 상기 레이저 빔에 접촉하여 상기 검출신호를 출력하는 경우, 상기 제2센서가 상기 검출신호를 출력하는 시점까지 상기 구동기를 구동하고 상기 제1센서가 상기 검출신호를 다시 출력하는 시점까지 상기 구동기에 구동한 후, 상기 제2센서가 상기 검출신호를 출력하는 시점으로부터 상기 제1센서가 상기 검출신호를 다시 출력하는 시점까지의 시간을 기초로 설정된 제1기준시간 동안 상기 레이저 빔의 중심이 상기 관통공의 중심을 통과하도록 상기 구동기를 구동하는 구동신호를 출력하며,
    상기 제1센서 및 제2센서 모두 상기 레이저 빔의 경로로부터 벗어나 상기 검출신호를 출력하지 않는 경우, 상기 제1센서가 상기 검출신호를 출력하는 시점까지 상기 구동기를 구동하고 상기 제2센서가 상기 검출신호를 출력하는 시점까지 상기 구동기를 구동한 후, 상기 제1센서가 상기 검출신호를 출력하는 시점으로부터 상기 제2센서가 상기 검출신호를 출력하는 시점까지의 시간을 기초로 설정된 제2기준시간 동안 상기 레이저 빔의 중심이 상기 관통공의 중심을 통과하도록 상기 구동기를 구동하는 구동신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 레이저 빔 정렬유닛은, 상기 관통공의 양측에 배치되어 상기 관통공을 중심으로 상기 제1센서 및 제2센서와 함께 방사형으로 배치되도록 상기 정렬부재에 각각 결합되며, 입사되는 레이저 빔을 검출하며, 상기 레이저 빔의 검출시 상기 제어기로 검출신호를 출력하는 제3센서 및 제4센서;를 더 구비하며,
    상기 제3센서 및 제4센서 간의 거리는, 상기 레이저 빔이 상기 제1센서 및 제2센서 사이로 통과 가능하도록 형성되어 있으며,
    상기 제어기는,
    상기 제3센서가 상기 레이저 빔에 접촉하여 상기 검출신호를 출력하는 경우, 상기 제4센서가 상기 검출신호를 출력하는 시점까지 상기 구동기를 구동하고 상기 제3센서가 상기 검출신호를 다시 출력하는 시점까지 상기 구동기에 구동한 후, 상기 제4센서가 상기 검출신호를 출력하는 시점으로부터 상기 제3센서가 상기 검출신호를 다시 출력하는 시점까지의 시간을 기초로 설정된 제3기준시간 동안 상기 레이저 빔의 중심이 상기 관통공의 중심을 통과하도록 상기 구동기를 구동하는 구동신호를 출력하며,
    상기 제3센서 및 제4센서 모두 상기 레이저 빔의 경로로부터 벗어나 상기 검출신호를 출력하지 않는 경우, 상기 제3센서가 상기 검출신호를 출력하는 시점까지 상기 구동기를 구동하고 상기 제4센서가 상기 검출신호를 출력하는 시점까지 상기 구동기를 구동한 후, 상기 제3센서가 상기 검출신호를 출력하는 시점으로부터 상기 제4센서가 상기 검출신호를 출력하는 시점까지의 시간을 기초로 설정된 제4기준시간 동안 상기 레이저 빔의 중심이 상기 관통공의 중심을 통과하도록 상기 구동기를 구동하는 구동신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1기준시간은 상기 제2센서가 상기 검출신호를 최초로 출력하는 시점으로부터 상기 제1센서가 상기 검출신호를 다시 최초로 출력하는 시점까지 시간의 절반이며,
    상기 제2기준시간은 상기 제1센서가 상기 검출신호를 최초로 출력하는 시점으로부터 상기 제2센서가 상기 검출신호를 최초로 출력하는 시점까지 시간의 절반이며,
    상기 제3기준시간은 상기 제4센서가 상기 검출신호를 최초로 출력하는 시점으로부터 상기 제3센서가 상기 검출신호를 다시 최초로 출력하는 시점까지 시간의 절반이며,
    상기 제4기준시간은 상기 제3센서가 상기 검출신호를 최초로 출력하는 시점으로부터 상기 제4센서가 상기 검출신호를 최초로 출력하는 시점까지 시간의 절반 인 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 반사기는 상기 레이저 발진부와 공정대상물 사이에 복수 배치되어 있으며,
    상기 정렬부재는 서로 인접한 상기 반사기 사이에 복수 설치되어 있으며,
    상기 복수의 정렬부재는 상기 각 정렬부재의 관통공이 동축적으로 배치되도록 설치되어 있으며,
    상기 각 정렬부재에는 상기 제1센서, 제2센서, 제3센서 및 제4센서가 각각 결합되어 있으며,
    상기 구동기는, 상기 레이저 발진부와 상기 복수의 정렬부재 사이에 배치된 복수의 반사기가 구동 가능하도록 각 반사기에 대응되게 복수 설치되며,
    상기 제어기는, 상기 레이저 빔이 상기 각 정렬부재의 관통공의 중심을 통과하도록 상기 각 구동기를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 광학계는 호모지나이저를 포함하며,
    상기 레이저 발진부와 상기 정렬부재 사이에는, 상기 레이저 빔의 진행방향을 따라 순차적으로 제1반사기, 제2반사기 및 제3반사기가 배치되어 있으며,
    상기 제2반사기와 제3반사기 사이에는 상기 레이저 빔의 진행방향을 따라 순 차적으로 제1정렬부재, 호모지나이저 및 제2정렬부재가 배치되어 있으며,
    상기 제1반사기 및 제2반사기는 각각 제1구동기 및 제2구동기에 의해 구동 가능하며,
    상기 제어기는, 상기 레이저 빔의 중심이 상기 제1정렬부재의 관통공 및 상기 제2정렬부재의 관통공의 중심을 각각 통과하도록 상기 제1구동기 및 제2구동기를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  8. 제 3항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 빔 정렬유닛은,
    상기 센서가 상기 관통공의 중심에 대해 접근 또는 이격되는 방향으로 이동 가능하도록 상기 센서를 구동하는 센서 엑츄에이터; 및
    상기 정렬부재가 상기 관통공을 통과하는 레이저 빔의 진행 경로에 대해 교차하는 방향으로 이동 가능하도록 상기 정렬부재를 구동하는 정렬부재 엑츄에이터;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 정렬부재의 관통공으로 진행하는 것으로 검출된 레이저 빔을 기초로 상기 레이저 빔의 일부가 상기 정렬부재에 의해 가려져 상기 정렬부재의 관통공을 통과하는 레이저 빔의 프로파일이 변경되도록 상기 구동기 및 정렬부재 엑츄에이터 중 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
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