KR101392341B1 - 이중 빔 레이저 가공 시스템에서의 코히어런트 크로스토크를 감소시키는 방법 및 시스템 - Google Patents

이중 빔 레이저 가공 시스템에서의 코히어런트 크로스토크를 감소시키는 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

타깃 시료 작업 표면에서 제어된 안정도를 가지고 두 개의 레이저 가공 빔을 형성하는 방법 및 시스템은 광 특성 조정을 수행하기 위해 결합되는 분리된 제1 및 제2 빔 경로를 따라서 전파하는 제1 및 제2의 상호 코히어런트 레이저 빔(130, 140)을 포함한다. 결합된 레이저 빔은 분리된 빔 경로를 따라 전파하는 그리고 각각의 제3 및 제4 메인 빔 요소(192l)를 포함하는 제3 및 제4 레이저 빔(192, 194)으로 분리되고, 제3 및 제4 레이저 빔 중 하나는 누설 요소를 제공하는데 이 요소는 제3 및 제4 레이저 빔 중 다른 하나의 메인 빔 요소(192m)와 상호 시간 코히어런스해서 공동전파한다. 누설 요소와 이 누설요소가 공동전파하는 다른 하나의 메인 빔 요소와의 상호 시간 코히어런스 효과는 음향-광 변조(150, 160) 주파수 이동을 통해 또는 두 개의 빔내에서 광 경로 길이 차이(404, 504)의 통합을 통해 감소된다.

Description

이중 빔 레이저 가공 시스템에서의 코히어런트 크로스토크를 감소시키는 방법 및 시스템{REDUCING COHERENT CROSSTALK IN DUAL-BEAM LASER PROCESSING SYSTEM}
본 개시물은 일반적으로 이중-빔, 레이저 가공 시스템에서의 크로스토크를 감소시키기 위한 시스템 및 방법에 대한 것이며, 더 구체적으로는, 이러한 시스템에 존재하는 코히어런트 크로스토크를 감소시키는 것과 관계있다.
단일 레이저로부터 도출된 편광 빔을 이용해서 두 개의 타깃 시료(specimen) 가공 빔을 생성하는 이중-빔 레이저 가공 시스템은 하나의 빔의 상당 부분으로부터 나와서 다른 하나의 빔의 전파 경로로 누설되는 코히어런트 크로스토크를 겪을 수 있다. 코히어런트 크로스토크는 아래의 경우에 발생하는데, 즉 단일 레이저로부터 도출된 두 개의 빔이 광 행렬(optical train) 부분을 통해 공통 빔 경로내에서 의도적으로 결합되고 후속적으로 재분리될 때 발생한다. 두 개의 빔의 코히어런트한 성질 때문에, 재분리 단계에서 하나의 빔의 다른 하나의 빔의 전파 경로로의 임의의 누설이 코히어런트 크로스토크를 야기하는데, 이는 빔이 상호간에 인코히어런트한 경우에 존재하는 것보다 실질적으로 더 심각하다. 코히어런트 크로스토크는 타깃 시료의 작업 표면에서 레이점 빔 중 하나 또는 둘 다에 대한 열화된 펄스 에너 지 및 전력 안정도 제어를 야기한다.
이중-빔 레이저 가공 시스템의 실시예가 두 개의 레이저 가공 빔 사이에서의 크로스토크를 감소시키기 위한 기술을 구현해서 타깃 시료의 작업 표면에서 두 개의 빔에 제어된 안정도를 제공한다. 이러한 시스템 각각은 광 빔을 방출하는 레이저를 포함하는데, 이 빔은 분리된 제1 및 제2 빔 경로를 따라서 전파하는 제1 및 제2의 상호간에 코히어런트한 레이저 빔으로 나누어진다. 제1 및 제2의 상호간에 코히어런트한 레이저 빔은 광 요소 행렬의 공통 빔 경로 부분에서 의도적으로 결합되어 광 특성 조정을 수행하는데, 이 조정은 제1 및 제2 레이저 빔에 공통적이다. 제1 및 제2의 이전에 결합된 레이저 빔은 제3 및 제4의 레이저 빔으로 분리되는데, 제3 및 제4의 레이저 빔은 각각의 제3 및 제4 빔 경로를 따라서 전파한다. 제3 및 제4 레이저 빔은 각각의 제3 및 제4 메인 빔 요소를 포함하며, 제3 및 제4 레이저 빔 중 하나는 누설 요소를 제공하는데, 이 요소는 제3 및 제4 레이저 빔 중 다른 하나의 메인 빔 요소와 상호 시간 코히어런스해서(in mutual temporal coherence) 공동전파한다. 몇가지 실시예가 누설 요소와 (누설 요소가 공동전파하는) 제3 및 제4 메인 빔 요소 중 다른 하나와의 상호 시간 코히어런스의 효과를 줄여서 제3 및 제4 빔에 대응하는 안정된 제1 및 제2 가공 빔을 작업물에 전달하기 위한 기술을 구현한다.
두 가지 실시예가 광 경로-길이 조정기를 통해 제1 및 제2의 상호간에 코히어런트한 레이저 빔 중 하나를 통과시키는 것을 수반하는데, 이는 제1 및 제2 레이저 빔 사이에 광 경로-길이 차이를 도입함으로써 제1 및 제2 레이저 빔의 상호 코히어런스를 줄이기 위해서이다. 광 경로-길이 차이는 제1 및 제2 레이저 빔의 재결합 이전에 이 빔들 중 하나의 빔 경로에 공기 경로 또는 광 유리 요소를 삽입함으로써 도입된다. 이 경로 길이 차이는 레이저의 코히어런스 길이보다 더 크게 설정되나 빔 전파시에 허용가능하지 않은 차이를 야기할 정도로 길지는 않게 설정된다.
제3 실시예는 각각의 제1 및 제2 음향-광 변조기를 통해 제1 및 제2 레이저 빔을 통과시키는 것을 수반한다. 제1 및 제2 음향-광 변조기 중 적어도 하나가 조정되되 제1 및 제2 레이저 빔으로, 그리고 이에따라 누설 요소로, 차이 주파수(Δω)에서의 변화를 전하도록 조정되는데, 이 변화는 제1 및 제2 가공 빔의 안정도 상에서 누설 요소와 제3 및 제4 메인 빔 요소의 상호 코히어런스의 효과를 감소시킨다.
추가적인 측면 및 이점이 다양한 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 분명해질 것인데, 상세한 설명은 첨부 도면을 참조해서 계속된다.
도 1은 이중-빔 레이저 가공 시스템의 실시예의 개략도.
도 2는 하나의 메인 빔으로부터 다른 하나의 메인 빔으로의 빔 누설을 도시하는 도 1의 이중-빔 레이저 가공 시스템도.
도 3은 음향-광 변조기에서 발생하는 주파수 이동의 실시예의 개략도.
도 4는 도 1의 시스템과 같은 이중-빔 레이저 가공 시스템도이나, 편광 빔 분할 큐브에 의한 제2 빔과의 결합 이전에 제1 빔을 위한 소정의 길이의 공기 경로 를 갖는 시스템도.
도 5는 도 1의 시스템과 같은 이중-빔 레이저 가공 시스템도이나, 편광 빔 분할 큐브에 의한 제2 빔과의 결합 이전에 유리 요소에 의해 제1 빔에 전해진 소정의 길이의 광 경로를 갖는 시스템도.
도 6은 레이저를 두 개의 광 경로로 분할해서 이 경로들을 공통 경로로 재결합하는 미켈슨 간섭계를 이용해서 측정된 1343nm 펄스발생된 레이저를 위한 코히어런스 길이 대 프린지(fringe)(또는 코히어런스 크로스토크) 세기의 그래프.
도 7a 및 도 7b는 이중-빔 레이저 시스템에 경로-길이 차이를 도입함으로써 달성된 크로스토크에서의 감소를 나타내는 챠트.
본 개시물의 실시예는 도면을 참조함으로써 가장 잘 이해될 것이며, 도면 전체에 걸쳐서 유사한 부분은 유사한 숫자로 표시되어 있다. 본 명세서에서 도면 내에 일반적으로 설명되고 예시된 바와 같은, 본 개시물의 요소는 매우 다양한 상이한 구성으로 배열 및 설계될 수 있다는 것이 즉시 이해될 것이다. 따라서, 본 개시물의 장치, 시스템 및 방법의 실시예의 후속하는 더욱 상세한 설명은 개시물의 범위를 제한하도록 의도되지 않으며, 단지 본 개시물의 다양한 실시예를 나타낸다.
도 1은 이중-빔 가공 시스템(100)의 실시예의 개략도로서, 이 시스템은 작업 표면(104)에서 타깃 시료 또는 작업물(102)(이를테면 반도체 웨이퍼, 마이크로칩 등)를 가공하기 위한 두 개의 레이저 빔을 생성한다. 단일 레이저(110)에 의해 방출된 (바람직하게는 펄스발생된)레이저 빔(106)이 제1 편광 빔 분할기 큐 브(PBSC)(120) 상에 입사하는데, 이로부터 제1 레이저 빔(130) 및 제2 레이저 빔(140)이 전파한다. 공칭적으로, 빔(130 및 140) 중 하나는 도 1의 평면내의 전계 벡터와 선 편광되고(P-pol), 빔(130 및 140) 중 다른 하나는 도 1의 평면과 수직인 전계 벡터와 선 편광된다(S-pol). 따라서, 빔(130 및 140)은 공칭적으로 서로에 대해 직교 편광된다.
제1 및 제2 빔(130 및 140)은 조정가능한 광 셔터로서 작용하는 각각의 음향-광 변조기(AOM)(150 및 160)에 의해 변조되는데, 이 변조기들은 그것들을 통과하는 광의 세기를 제어한다. 레이저 빔(130 및 140)는 각각의 회전 미러(162 및 164)로부터 반사해서 제2 PBSC(170)를 가격한다. PBSC(170)는 내부 빔 중첩 위치(174)에서 레이저 빔(130 및 140)을 재결합해서, 가변 빔 확장기(VBE)(180) 상에 입사하기 위해 빔 경로를 따라 전파하는 결합 빔으로서 이 빔들을 보낸다. VBE(180)는 빔(130 및 140) 모두에 공통인 빔 크기 조정을 수행하고, 이후 이 빔들을 분리하기 위해 제3 PBSC(190)에 보낸다. 분리된 빔은 분리된 빔 경로를 따라서 제3 빔(192) 및 제4 빔(194)으로서 제3 PBSC(190)로부터 전파한다.
제3 빔(192) 및 제4 빔(194)은 각각의 전력 측정/교정 서브시스템(196)를 통해 전파하는데 이 시스템은 주파수 통과대역에 의해 특징지어지며, 시료 가공에 유익한 측정된 빔 세기 정보를 제공한다. 측정된 빔(192 및 194)은 입사를 위해 그리고 제4 PBSC(210)에 의한 결합을 위해 각각의 미러(200 및 202)로부터 반사한다. 제4 PBSC(210)의 결합된 출력 빔이 대물 렌즈(218)를 통해 전파하는데, 이 대물 렌즈는 타깃 시료(102)의 작업 표면(104) 상에 입사하기 위한 제1 가공 빔(220) 및 제2 가공 빔(222)을 형성한다. 각 빔(192 및 194)의 최후 위치, 초점 높이, 및 크기는 타깃 시료(102)의 작업 표면(104)에서 그것들의 대응 가공 빔(220 및 222)에 원하는 특성을 제공하기 위해 조정된다. 빔(130 및 140)이 동일한 광 경로 길이를가져서 작업 표면(104)에서 각 가공 빔의 스폿 크기와 초점 높이 상에서 빔 전파 효과를 실질적으로 근접하게 매칭하도록 하는 것이 보통 바람직하다. 그러나, 나타나는 바와 같이, 실질적으로 동일한 광 경로 길이는 상호 크로스토크 간섭을 증가시킨다.
도 2는 빔 누설이 제3 PBSC(190) 이후에 나타나는 도 1의 이중-빔 가공 시스템을 도시한다. 빔 크로스토크는 제3 빔(192) 부분이 제4 빔(194)의 경로로 누설할 때, 제4 빔(194) 부분이 제3 빔(192)의 경로로 누설할 때, 또는 두 가지 모두가 존재할 때 PBSC(190)에서 발생한다. 도 2는 메인 빔 요소(192m)와, 제4 빔(194)으로부터 누설된 누설 빔 요소(194l)로 구성되는 제3 빔(192), 및 메인 빔 요소(194m)와, 제3 빔(192)으로부터 누설된 누설 빔 요소(192l)로 구성된 제4 빔(194)을 도시한다. 이 누설은 편광 빔 분할기 성능의 실제적인 한계 때문에, 빔(130 및 140)의 불완전한 선 편광으로부터, 그리고 빔 분할기와 빔 결합기 편광축의 불완전한 정렬로부터 발생한다. PBSC(190)로부터 하류에서, 누설 빔 요소(194l 또는 192l)은 소정의 빔 경로내의 메인 빔 요소(192 또는 194)와 구별할 수 없다. 누설 빔 요소가 PBSC(190)의 각 빔 경로 하류에서 메인 빔 요소와 시간적으로 코히어런트하기 때문에, 메인 빔요소와 누설 빔 요소 사이에 코히어런트 부가가 발생한다. 메인 빔 요소와 누설 빔 요소의 이러한 코히어런트 부가는 총 빔 세기(I)에서의 상당한 변화 를 야기한다. 메인 및 누설 빔 요소의 상호 시간 코히어런스는 제1 및 제2 빔(130 및 140)을 위한 경로 길이가 동일할 때 최대이다.
도 3은 AOM(150 및 160) 중 하나에서 발생하는 주파수 이동의 개략도이다. AOM(150 및 160)의 주파수 및 위상 이동 특성의 이용은, 코히어런트 크로스토크(빔 누설)로부터 기인하는 빔 세기 변화의 주파수가 전력 측정/교정 서브시스템(196 및 198)의 통과대역 중 하나 또는 둘 모두의 밖에 있는 주파수로 이동되도록 하는 시스템(100)의 구성과 레이저 가공 효과를 가능하게 한다.
이러한 주파수 및 위상 이동 중 하나 또는 둘 모두를 수행하는 몇 가지 AOM 구성 중 하나는 다음을 포함할 수 있다: (1) 준-정적(quasi-static) 동작으로서, 빔(130 및 140)의 상대적 위상을 조정함으로써 코히어런트 크로스토크 레벨이 최소화되는 선택적 위상 조정과 함께, 코히어런트 크로스토크 레벨이 천천히 변하는 준-정적(quasi-static) 동작; (2) 상이한 AOM RF 구동 주파수를 각 빔에 이용하는 것에 의한 주파수 변조로서, 코히어런트 크로스토크 (또는 누설) 주파수가 두 개의 AOM RF 주파수 사이의 차이와 동일해지는, 주파수 변조; 및 (3) 빔(130 및 140)에 상이한 AOM 회절 차수를 이용하는 것에 의한 주파수 변조. 각 경우가 아래에서 추가적으로 검토된다.
세기(I1 및 I2)인 두 개의 빔이 중첩할 때, 결과적인 총 세기(I)는 단순 합계(I1 + I2)에 덧붙여서, 코히어런트 부가 또는 간섭항
Figure 112009006004216-pct00001
을 포함할 수 있으며, 여기서
Figure 112009006004216-pct00002
는 빔의 전계 진폭 벡터이고, Δω는 빔(130 및 140)의 주파숭서의 차이이며, φ는 위상항인데, 이것은 두 개의 빔(130및 140) 사이의 임의의 정적 위상 차이와, 경로-길이 차이와, 가능하게는 빔의 코히어런스 특성으로부터 발생한다. 항(Δω)은 또한 코히어런트 크로스토크의 주파수이다. 전계(
Figure 112009006004216-pct00003
)의 벡터 도트 곱 때문에, 양쪽 빔(130 및 140)에 공통인 편광 요소만이 크로스토크 항(Iac)에 기여한다. 크로스토크 항(Iac)이 직교 편광의 이용을 통해 제거될 수 없을 정도로, 코히어런트 크로스토크 상에서 그것의 효과는 광의 음향-광 시간 변조의 특성을 의도적으로 이용함으로써 감소되어 차이 주파수(Δω)와 위상(φ)을 유리한 값으로 설정할 수 있다. 코히어런트 항(Iac)은 전체 빔 세기(I)에서 상당한 누설 항을 나타낼 수 있다. 예컨대, I1가 원하는 메인 신호 세기이고, I2가 동일한 편광의 원하지 않는 누설 신호인 경우에, 총 세기는
Figure 112009006004216-pct00004
라고 쓸 수 있는데, 예컨대, I2가 I1의 1%인 경우, 코히어런트 부가 항(Iac)은 I1의 20% 만큼 클 수 있다.
AOM에 존재하는 소리계(sound field)에 의해 회절되는 주파수(ωi)의 광 빔 이 새로운 주파수(ωn),
Figure 112009006004216-pct00005
로 이동되는데, 여기서 ωs1은 AOM 소리계 주파수이고 n은 이용되는 AOM의 회절 차수를 나타내는 정수이다(n은 통상적으로 도 3에 도시된 바와 같이 +1 또는 -1이나, +2, -2 및 더 높은 차수도 가능하다). 회절 차수는 빔의 AOM 소리계 속도 벡터(ωs)에 대한 정렬에 의해 결정된다. 이러한 개념이 도 3에 예시된다. 통상적으로 (ωsl)은 2π*(107 내지 108)radians/s의 차수이다. 회절 차수 및 소리계 주파수가 AOM(150 및 160) 각각에 대해 독립적으로 제어될 수 있기 때문에, 위의 주파수 차이 항(Δω)은
Figure 112009006004216-pct00006
가 되는데, 여기서 ωsl 및 ωs2은 개별적인 AOM 소리 주파수이고, n 및 m은 각각빔(130 및 140)용 회절 차수이다.
값(n, m, ωsl, 및 ωs2)을 위한 가능한 선택은 다음과 같이 요약될 수 있다. 첫번째 경우는 n = m이고 ωsl = ωs2인 경우이다. 이 경우에 Δω= 0이고, 코히어런트 항(Iac)의 진폭은
Figure 112009006004216-pct00007
로 단순화되는데, 이것은 상대적 위상(φ)의 시간 동작(time behavior)에 의존해서 정적 또는 준-정적일 것이다. 빔(130 및 140)의 경로 길이가 동일하고 상당히 변하지 않는 경우, φ은 AOM 소리계의 상대적 위상에 의해 결정될 것인데, 이것은 RF 위상 구동 AOM(150 및 160)에 의해 설정된다. AOM(150 및 160)에 적용된 상대적 RF 위상을 제어함으로써, 코히어런트 크로스토크의 레벨이 제어될 수 있으며, 이상적으로는, 0으로 된다. 예컨대, 교정 절차가 이용될 수 있는데, 여기서 PBSC(190) 이후에 빔(192)의 경로 세기는 빔(140)이 턴 온 된 상태로 측정되어, 빔(140)이 턴 오프 된 상태로 PBSC(190) 이후의 빔(192)의 세기와 비교된다. AOM RF 시호의 상대적 위상은 이러한 비교 측정 동안에 동시에 조정될 수 있는데, 온 및 오프 상태에서의 빔(194) 사이의 위상 차이가 최소화 될 때까지 조정된다(효과적으로는 φ= ±π/2로 설정). 상대적 위상은 또한 빔 교차 위치(174) 이전에, 빔 경로 중 하나, 예컨대 192의, 다른 하나의 빔 경로, 예컨대 194에 대한 광 경로-길이 차이를 증가시킴으로써 조정될 수 있는데, 이는 도 4 내지 도 7을 참조해서 검토되는 바와 같다.
두번째 경우는 n = m이고 ωsl ≠ ωs2인 경우이다. AOM 소리계를 상이한 주파수에서 구동함으로써, 크로스토크 항이 차이 주파수에서 나타나는데, 이는 Δω= ωsl - ωs2로 제공되는 경우이다. 이로써, Δω이 즉시 제어되어, 0Hz에서 106Hz을 넘는 범위내의 임의의 값으로 설정될 수 있다. 이것은, 교정 절차가 일정 시간 창(T)에 걸쳐서 빔 에너지를 평균화하는 경우에 특히 유용하다. Δω>> 1/T인 경우, 코히어런트 크로스토크로부터 기인하는 변화는 효과적으로 평균화된다.
세번째 경우는 n ≠ m이고 ωsl = ωs2인 경우이다. 상이한 회절 차수 상에서 동작하도록 AOM(150 및 160)을 정렬함으로써, 크로스토크 항이 차이 주파수에서 나타나는데, 이는 Δω= (n-m)ωsl로 제공되는 경우이다. 예컨대, n = +1이고 m = -1인 경우, Δω= 2ωsl이다. 이것은 유리하게는, 양쪽 AOM(150 및 160)을 구동하기 위해 하나의 RF 오실레이터를 이용하는 동안 비교적 높은 크로스토크 주파수를 낳는데, 이 크로스토크 주파수는 두 개의 레이저 가공 빔의 공칭 통과대역 밖에 있다. 예컨대, ωsl = ωs2 = 108 radian/s이고 n = +1이고 m = -1을 이용해서, Δω= 2× 108radian/s를 갖는다. 따라서, Δω는 위의 두번째 경우를 이용함으로써 이용가능한 Δω의 그밖의 값보다 상당히 더 높아서, 두 개의 레이저 가공 빔의 통과대역 주파수 밖으로 크로스토크 주파수를 더 멀리 이동시키는 것을 더 쉽게 만든다.
도 4는 이중-빔 가공 시스템(400)을 도시하는데, 이는 도 1의 시스템(100)과 유사하지만, 제2 PBSC(170)에 의해 제2 빔(140)과 결합하기 전에 제1 빔(130)을 위한 소정의 길이의 공기 경로(404)를 가지고 구성된다. 도 5는 이중-빔 레이저 가공 시스템(500)을 도시하는데, 이는 도 1의 시스템(100)과 유사하지만, 제2 PBSC(170)에 의해 제2 빔(140)과 결합하기 전에 유리(또는 광 굴절기) 요소(504)에 의해 제1 빔(130)에 보내진 소정의 길이의 광 경로를 갖는다.
도 4 또는 도 5 어느 쪽에서, 공기 경로(404) 또는 유리 요소(504)를 도입하는 효과는 PBSC(170)에서의 빔 재결합 이전에, 빔(130 및 140)의 빔 경로 사이에 경로-길이 차이를 부가하는 것이다. 경로-길이 차이는 레이저(110)의 코히어런스 길이(Lc)보다 더 크나, 빔 전파시에 허용가능하지 않은 차이를 야기할 정도로 길지는 않다. 따라서, 경로-길이 차이는 증가할 수 있고 원하는 효과를 여전히 갖는다. 이것은 빔(192m 및 194l)와 빔(194m 및 192l)중 한 쌍 또는 두 쌍 사이에서 상호 시간 코히어런스를 감소시키는, 그리고 이에따라 빔 쌍 각각의 두 개의 요소의 코히어런트 부가로부터 발생하는 크로스토크를 감소시키는 부가된 효과가 있다. 코히어런스 길이(Lc)는 50% 프린지 가시도에 대응하는 자기-간섭 레이저 빔의 광 경로-길이 차이인데, 여기서 프린지 가시도는 V = (Imax - Imin)/(Imax + Imin)로 정의되고 Imax 와 Imin는 각각의 최대 및 최소 프린지 세기이다.
광 경로-길이 차이는, 도 4에 도시된 바와 같이, 빔(130 및 140)의 빔 경로 중 하나 내의 공기 경로(404)로서, 또는 빔(130 및 140)의 빔 경로 중 하나 내에, 두께(n)와 굴절률(n)의 광 유리(504) 부품과 같은 굴절 광 요소를 배치함으로써 도입될 수 있다. 광 유리(504)는 도 5에 도시된 바와 같이, 광 경로-길이((n-1)d)에서의 변화를 도입한다.
동일한 시간 주파수(Δω= 0)의 그리고 세기(I1 및 I2)의 두 개의 빔이 중첩할 때, 결과적인 총 세기(I)는 단순 합계(I1 + I2)에 덧붙여서, 코히어런트 부가 또 는 간섭 항
Figure 112009006004216-pct00008
을 포함하는데, 여기서
Figure 112009006004216-pct00009
는 빔을 위한 전계 진폭 벡터이고 φ(t)는 빔(130 및 140)의 경로-길이 차이 및 코히어런스 특성으로부터 발생하는 위상 항이다. 최대 크로스토크를 위한 하나의 조건은 양쪽 빔(130 및 140)이 동일한 경로 길이를 레이저로부터 빔 중첩 위치(174)까지 이동하는 것이다. 이러한 조건하에서, 위상 항(φ(t))은 비교적 천천히 변하는 시간 함수인데 그 이유는 작은 경로-길이 차이 변화가 기계적 진동 및 열 효과로부터 기인해서 (레이저(110)의 파장의 차수상에서) 발생하기 때문이다. 빔(130 및 140)이 빔 중첩 경로(174)와 동일한 경로 길이를 이동하는 것이 고도로 유사한 빔 전파 특징 이를테면 스폿 크기, 빔 발산, 및 허리 위치를 갖는 목적상 바람직할 수 있다. 그러므로, 빔(130및 140) 사이에 경로-길이 차이를 부가할 때, 스폿 크기, 빔 발산, 및 허리 위치에서의 큰 발산을 예방하기 위해 차이를 제한할 수 있다.
전계(
Figure 112009006004216-pct00010
)의 벡터 도트 곱 때문에, 양쪽 빔(130 및 140)에 공통인 편광 요소만이 크로스토크 항(Iac)에 기여한다. 크로스토크 항(Iac)이 직교 편광의 이용을 통해 제거될 수 없는 정도까지, 코히어런트 크로스토크 상에서의 그것의 효과는 빔 중첩 위치(174)로부터 상류에서 빔(130 및 140) 중 하나 내에 광 경로-길이 차이를 의도적으로 도입함으로써 감소될 수 있다. 이 공기 경로는 빔(130 및 140) 사이에 시간 지연을 도입하는데, 이것이 레이저 소스의 코히어런스 시간보다 더 긴 경우, 감소된 코히어런트 크로스토크를 야기한다. (물리적으로, 코히어런트 부가시의 위상 인자(φ(t))는 0과 2π사이의 매우 빠른 그리고 무작위의 변동을 겪는데, 이는 경로-길이가 레이저의 코히어런스 길이를 넘어서 증가되기 때문이며, 그 결과 cos(φ(t)) 항이 전력 측정/교정 서브시스템(196 및 198)의 통과 대역에 의해 결정된 해당하는 시간 기간에 걸쳐 0으로 평균화된다.) 광 경로-길이에서의 증가는 공기 경로(404)를 부가하거나 공제함으로써, 또는 n>1인 투과형 광 물질(504), 이를테면 유리를 빔(130 및 140)의 빔 경로 중 하나에 삽입함으로써 이루어질 수 있다. 필요한 지연 시간은 대략적으로 1/Δν 정도인데, Δν은 레이저의 대역폭이다. 지연 시간(t)은 I = ct에 의해 광 경로-길이 차이(I)와 관계있는데, c = 광의 속도이다.
도 6은 미켈슨 간섭계를 이용해서 측정된 1343nm 펄스발생 레이저의 코히어런스 길이의 예를 도시하는 그래프인데, 미켈슨 간섭계는 레이저를 두 개의 광 경로로 분할하고 이후 이 경로들을 공통 경로로 재결합하며 여기서 총 빔 세기(I)가 검출기를 이용해서 측정될 수 있다. 수평축은 공기 경로-길이에서의 변화를 밀리미터로 나타내고, 수직축은 신호 엔벨로프(604)로 나타난 바와 같은, 프린지(또는 코히어런트 크로스토크) 세기(Iac)를 나타내는데, 이것은 소정의 경로-길이 차이를 위한 레이저(110)의 시간 코히어런스의 직접적인 측정치(measure)이다. 도 6은 다음을 나타내는데 즉, 빔(130 및 140), 그리고 따라서 가공 빔(192 및 194)이 실질적 으로 정확히 코히어런트한(즉, 동일한 경로 길이인) 곳에서 코히어런트 크로스토크가 가장 심하다는 것과 신호 엔벨로프(604)가 +3.5mm인 공기 경로-길이 차이를 위해 대략적으로 10인 인자만큼 감소한다는 것을 나타낸다. 이러한 적당한 경로-길이 차이를 도입함으로써, 시스템(400)은 코히어런트 크로스토크에서의 두드러진 감소를 달성할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 이중-빔 레이저 시스템에 경로-길이 차이를 도입함으로써 달성가능한 코히어런트 크로스토크에서의 감소를 도시하는 챠트이다. 수평축은 레이저 가공 빔내에 존재하는 코히어런트 크로스토크의 테스트 동안에 취해진, 포인트 당 10,000개의 샘플의 규모로, 증가하는 수의 샘플을 나타낸다. 수직축은 각 샘플 포인트에서의 측정된 펄스 불안정도를 나타낸다. 도 7a의 챠트는 동일한 경로 길이를 위한 측정된 펄스 안정도를 도시하는데, 이 도면은 양쪽 빔(130 및 140)이 온 상태에 있을 때(코히어런트 크로스토크가 존재할 때) 비교적 불안정한 가공 레이저 빔(192 및 194)을 나타내는 상위 쌍의 데이터 포인트 대 빔(130 및 140) 중 하나만이 온 상태에 있을 때(어떠한 코히어런트 크로스토크도 가능하지 않을 때) 가공 빔(192 및 194)에서 더 큰 안정도를 보이는 하위 쌍의 데이터 포인트와 함께 도시한다.
도 7b의 챠트는 시스템 구성을 위한 동일한 데이터를 도시하는데, 이 구성에서 10mm인 용융(fused) 실리카 유리(n=1.46)가 4.6mm 경로-길이 차이를 가지고 빔(130 및 140) 중 하나에 도입되어, 코히어런트 크로스토크에서의 실질적인 감소를 보인다.
본 개시물의 특정 실시예 및 응용예가 예시 및 설명되었으나, 본 개시물은 본 명세서에 개시된 정확한 구성 및 요소에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 당업자에게 분명한 다양한 수정, 변경, 및 변형이 본 개시물의 사상 및 범위를 벗어나지 않고도 본 명세서에 개시된 본 개시물의 방법 및 시스템의 배열, 동작, 및 세부사항에서 이루어질 수 있다.
본 개시물은 일반적으로 이중-빔, 레이저 가공 시스템에서의 크로스토크를 감소시키기 위한 시스템 및 방법에 이용가능하며, 더 구체적으로는, 이러한 시스템에 존재하는 코히어런트 크로스토크를 감소시키는 것에 이용가능하다.

Claims (27)

  1. 타깃 시료의 작업 표면에서 제어된 안정도를 가지고 두 개의 레이저 가공 빔을 형성하는 방법으로서,
    분리된 제1 및 제2 빔 경로를 따라서 전파하는 제1 및 제2의 상호 코히어런트 레이저 빔을 제공하는 단계;
    광 요소 행렬의 공통 빔 경로 부분에서 제1 및 제2의 상호 코히어런트 레이저 빔을 결합해서 제1 및 제2 레이저 빔에 공통인 광 특성 조정을 수행하는, 결합 단계;
    결합된 제1 및 제2의 상호 코히어런트 레이저 빔을 각각의 제3 및 제4 빔 경로를 따라 전파하는 제3 및 제4 레이저 빔으로 분리하는 단계로서, 제3 및 제4 레이저 빔 중 하나는 제3 및 제4 레이저 빔 중 다른 하나와 상호 시간 코히어런스해서(mutual temporal coherence) 공동전파하는(copropagate) 누설 요소를 제공하는, 분리 단계; 및
    누설 요소와, 누설 요소가 공동전파하는 제3 및 제4 레이저 빔 중 다른 하나와의 상호 시간 코히어런스의 효과를 감소시켜서, 제3 및 제4 레이저 빔에 대응하는 안정된 제1 및 제2 가공 빔을 타깃 시료에 전달하는, 상호 시간 코히어런스 효과 감소 단계를 포함하는, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상호 시간 코히어런스 감소 단계는 공통 빔 경로 부분에서 제1 및 제2 상호 코히어런트 레이저 빔의 결합 이전에 이 빔들의 분리된 빔 경로에서의 광 경로-길이 차이를 설정하는 단계를 포함하고, 광 경로-길이 차이는 다음과 같은 양으로서, 누설 요소와, 누설 요소가 공동전파하는 제3 및 제4 레이저 빔 중 다른 하나와의 상호 시간 코히어런스를 그리고 이에 따라 제1 및 제2 가공 빔의 안정도 상에서 상호 시간 코히어런스의 효과를 감소시키는 양인, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    제1 및 제2 상호 코히어런트 레이저 빔은 코히어런스 길이를 가지며, 광 경로-길이 차이는 코히어런스 길이보다 더 큰, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  4. 제2 항에 있어서,
    광-경로 길이 차이는 분리된 제1 및 제2 빔 경로 중 하나 내의 공기 경로 길이에서 증분적 변화를 도입함으로써 수행되는, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  5. 제2 항에 있어서,
    광 경로-길이 차이는 두께(d)와 굴절률(n)을 갖는 굴절성 광 요소를 분리된 제1 및 제2 빔 경로 중 하나에 위치시켜서 (n-1)d인 광 경로-길이 변화를 도입해서 달성되는, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  6. 제1 항에 있어서, 광 특성 조정은 빔 폭 확장을 포함하는, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    누설 요소는 주파수에 의해 특징지어지고, 상기 레이저 가공 빔 형성 방법은,
    제1 및 제2의 상호 코히어런트 빔 중 하나를 주파수 이동시키는 그리고 이에따라 하나의 주파수에서 제3 및 제4 레이저 빔 중 하나의 누설 요소를 주파수 이동시켜서, 제1 및 제2 가공 빔의 안정도 상에서 누설 요소와 제3 및 제4 레이저 빔 중 다른 하나와의 상호 시간 코히어런스의 효과를 감소시키는, 주파수 이동 단계를 더 포함하는, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    누설 요소는 코히어런트 크로스토크 주파수(Δω)에 대응하며, 제1 및 제2 가공 빔은 각각의 제1 및 제2 공칭 통과대역에서 동작하고, 제1 및 제2 상호 코히어런트 레이저 빔 중 하나의 빔 경로 내에 위치된 변조 디바이스가 주파수 이동을 수행하며, 변조 디바이스는 코히어런트 크로스토크 주파수(Δω)가 제1 및 제2 공칭 통과대역 중 대응하는 하나의 밖에 있도록 누설요소에 주파수 값을 전하는 신호 특성에 의해 특징지어지는, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    변조 디바이스는 음향-광 변조기를 포함하는, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    음향-광 변조기는 제1 및 제2의 상호 코히어런트 레이저 빔 사이에서 위상 차이를 조정함으로써 주파수 값을 전하는, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  11. 제1 항에 있어서,
    제1 및 제2의 상호 코히어런트 레이저 빔은 펄스발생 레이저 빔인, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  12. 제1 항에 있어서,
    누설 요소는 주파수에 의해 특징지어지며, 상기 레이저 가공 빔 형성 방법은,
    제1 및 제2의 상호 코히어런트 빔을 각각의 제1 및 제2 주파수에서 주파수 이동시키는, 그리고 이에 따라 제3 및 제4 레이저 빔 중 하나의 누설 요소를 주파수 이동시키는 단계로서, 이 주파수 이동은 제1 및 제2 가공 빔의 안정도 상에서 누설 요소와 제3 및 제4 레이저 빔 중 다른 하나와의 상호 시간 코히어런스의 효과를 감소시키는, 주파수 이동 단계를 더 포함하는, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    누설 요소는 코히어런트 크로스토크 주파수(Δω)에 대응하며, 제1 및 제2 가공 빔은 각각의 제1 및 제2 공칭 통과대역에서 동작하고, 제1 및 제2 빔 경로에 각각 위치된 제1 및 제2 변조 디바이스가 주파수 이동을 수행하고, 제1 및 제2 변조 디바이스는 코히어런트 크로스토크 주파수(Δω)가 제1 및 제2 공칭 통과대역 의 밖에 있도록 누설요소에 주파수 값을 전하는 신호 특성에 의해 특징지어지는, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    제1 및 제2 변조 디바이스는 각각의 제1 및 제2 음향-광 변조기를 포함하는, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    제1 및 제2 음향-광 변조기는 각각 제1 및 제2의 상호 코히어런트 레이저 빔을 상이한 주파수에서 구동함으로써 주파수 값을 전하는, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  16. 제14 항에 있어서,
    제1 및 제2 음향-광 변조기는 상이한 회절 차수의 각각의 제1 및 제2 음향-광 변조기를 통해 주파수 값을 전하는, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    제1 및 제2 음향-광 변조기는 각각 제1 및 제2의 상호 코히어런트 레이저 빔을 동일한 주파수에서 구동함으로써 주파수 값을 전하는, 레이저 가공 빔 형성 방법.
  18. 이중-빔 레이저 가공 시스템으로서,
    레이저 빔을 방출하는 레이저 소스;
    레이저 빔을 제1 및 제2의 상호 코히어런트 레이저 빔으로 분할하는 제1 편광 빔 분할기 큐브(PBSC);
    각각의 제1 및 제2의 상호 코히어런트 레이저 빔이 통과하는 제1 및 제2 광 변조기;
    제1 및 제2의 상호 코히어런트 레이저 빔 중 하나가 통과하는 광 경로-길이 조정기로서, 제1 및 제2 레이저 빔 사이에서 광 경로-길이 차이를 도입함으로써 제1 및 제2 레이저 빔의 상호 코히어런스를 감소시키는, 광 경로-길이 조정기;
    재결합된 레이저 빔을 형성하기 위해 제1 및 제2 레이저 빔을 재결합하는 제2 PBSC;
    재결합된 레이저 빔이 통과하는 광 특성 조정기; 및
    재결합된 레이저 빔을, 작업물을 가공하는데 이용되는 제3 및 제4 레이저 빔으로 분할하기 위한 제3 PBSC
    를 포함하는, 이중-빔 레이저 가공 시스템.
  19. 제18 항에 있어서,
    광 특성 조정기는 가변 빔 확장기를 포함하는, 이중-빔 레이저 가공 시스템.
  20. 제18 항에 있어서,
    경로-길이 조정기는 광 경로-길이 차이를 도입하는 공기 경로를 포함하는, 이중-빔 레이저 가공 시스템.
  21. 제18 항에 있어서,
    경로-길이 조정기는 굴절성 광 요소를 포함하는, 이중-빔 레이저 가공 시스템.
  22. 제21 항에 있어서,
    광 굴절기는 용융(fused) 실리카 유리를 포함하는, 이중-빔 레이저 가공 시스템.
  23. 제18 항에 있어서,
    제1 및 제2의 상호 코히어런트 레이저 빔은 코히어런스 길이를 가지며, 광 경로-길이 차이는 코히어런스 길이보다 더 큰, 이중-빔 레이저 가공 시스템.
  24. 이중-빔, 레이저 가공 시스템으로서,
    레이저 빔을 방출하는 레이저 소스;
    레이저 빔을 제1 및 제2 레이저 빔으로 분할하는 제1 편광 빔 분할기 큐브(PBSC);
    각각의 제1 및 제2 레이저 빔이 통과하는 제1 및 제2 음향-광 변조기;
    재결합된 레이저 빔을 형성하기 위해 제1 및 제2 레이저 빔을 재결합하는 제2 PBSC;
    재결합된 레이저 빔이 통과하는 광 특성 조정기;
    재결합된 레이저 빔을, 작업물을 가공하는데 이용되는 제3 및 제4 레이저 빔으로 분할하는 제3 PBSC로서, 제3 및 제4 레이저 빔이 제3 및 제4 메인 빔 요소를 포함하고, 제3 및 제4 레이저 빔 중 하나가 누설 요소를 제공하는데 이 누설 요소는 제3 및 제4 레이저 빔 중 다른 하나의 메인 빔 요소와 상호 시간 코히어런스해서 공동전파하는, 제3 PBSC을 포함하고;
    제1 및 제2 음향-광 변조기 중 적어도 하나가 제1 및 제2 레이저 빔에, 그리고 이에따라 누설 요소에, 크로스토크 주파수에서의 변화(Δω)를 전하도록 조정되어, 제3 및 제4 가공 빔의 안정도 상에서 누설 요소와 제3 및 제4 메인 빔 요소 중 다른 하나와의 상호 코히어런스 효과를 감소시키는, 이중-빔 레이저 가공 시스템.
  25. 제24 항에 있어서,
    광 특성 조정기는 가변 빔 확장기를 포함하는, 이중-빔 레이저 가공 시스템.
  26. 제24 항에 있어서,
    제1 및 제2 음향-광 변조기 중 적어도 하나는 각각 제1 및 제2 레이저 빔을 상이한 주파수, 각각 ωs1 및 ωs2에서 구동함으로써 크로스토크 주파수(Δω)를 설정하도록 조정되는데, Δω = ωs2 - ωs2인, 이중-빔 레이저 가공 시스템.
  27. 제24 항에 있어서,
    제1 및 제2 음향-광 변조기 중 적어도 하나는 크로스토크 주파수(Δω)를 제1 음향-광 변조기의 회절 차수(n) 대 제2 음향-광 변조기의 상이한 회절 차수(m)로 설정하도록 조정되는, 이중-빔 레이저 가공 시스템.
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