KR102331321B1 - 가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치 및 이의 동작 방법 - Google Patents

가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치 및 이의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치 및 이의 동작 방법이 개시된다. 개시된 가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치는 시간차를 두고 구동되어 펄스형 제1 및 제2 레이저 빔을 각각 출사하는 제1 및 제2 레이저 광원들을 포함하는 광원부와, 광원부에서 출사된 제1 및 제2 레이저 빔들을 플랫 탑 레이저 빔들로 성형하도록 구성된 빔 성형부와, 광원부와 빔 성형부 사이에 배치되어 제1 및 제2 레이저 빔들의 광경로를 결합하고 결합된 광경로를 적어도 2개의 광경로로 분기하여 분기된 적어도 2개의 광경로들이 빔 성형부의 입사면의 서로 다른 영역으로 향하도록 구성된 제1 빔 결합/분기부를 포함하는 결합/분기부와, 빔 성형부에서 성형된 플랫 탑 레이저 빔들을 피대상체에 시순차적으로 겹치어 결상하도록 구성된 결상 광학계;를 포함한다.

Description

가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치 및 이의 동작 방법{Flat-top laser apparatus having variable pulse width and method of operating the same}
본 발명은 레이저 장치 및 이의 동작 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 복수의 레이저 빔을 이용하여 플랫 탑 빔의 균일도를 향상시킨 가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 산업에서 높은 효율과 정밀도를 요구하는 분야에 레이저를 이용한 광학계의 수요가 늘어나면서 레이저 빔의 형태 또는 에너지 분포를 원하는 형태로 바꿔주는 빔 성형(Beam Shaping) 기술이 각광받고 있다.
예를 들어, 레이저 어닐링 공정은 웨이퍼 상의 비정질 실리콘(amorphous silicon) 막에 플랫 탑 형상으로 성형한 플랫 탑 레이저 빔을 주사함으로써 비정질 실리콘막을 결정화시켜 다결정 실리콘(polysilicone) 막으로 형성하는데, 공정수율 및 재현성을 확보하기 위하여 플랫 탑 레이저 빔의 균일도를 향상시키는 방법이 요구되고 있다.
종래의 경우, 플랫 탑 레이저 빔의 균일도를 향상 시킬 방법 중 하나로 더욱더 많은 수의 레이저 빔들을 사용하는 것이다. 그러나 이러한 방법은 광원 구성이 복잡해 질 뿐만 아니라 광학계 구성이 길어지는 문제점이 발생할 수 있다.
플랫 탑 빔의 균일도를 향상 시키고, 레이저 빔들과 광학계를 보다 효율적으로 구성할 수 있는 가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치 및 이의 동작 방법을 제공하고자 한다.
해결하고자 하는 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
일 측면에 있어서, 가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치는, 시간차를 두고 구동되어 펄스형 레이저 빔을 출사하는 복수의 레이저 광원들을 포함하는 광원부; 광원부에서 출사된 복수의 레이저 빔들을 플랫 탑 레이저 빔들로 성형하도록 구성된 빔 성형부; 광원부와 빔 성형부 사이에 배치되어, 복수의 레이저 빔들의 광경로를 결합하고, 결합된 광경로를 적어도 2개의 광경로로 분기하여, 분기된 적어도 2개의 광경로들이 빔 성형부의 입사면의 서로 다른 영역으로 향하도록 구성된 결합/분기부; 및 빔 성형부에서 성형된 플랫 탑 레이저 빔들을 피대상체에 시순차적으로 겹치어 결상하도록 구성된 결상 광학계;를 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치는, 시간차를 두고 구동되어 펄스형 제1 및 제2 레이저 빔을 각각 출사하는 제1 및 제2 레이저 광원들을 포함하는 광원부; 광원부에서 출사된 제1 및 제2 레이저 빔들을 플랫 탑 레이저 빔들로 성형하도록 구성된 빔 성형부; 광원부와 빔 성형부 사이에 배치되어, 제1 및 제2 레이저 빔들의 광경로를 결합하고, 결합된 광경로를 적어도 2개의 광경로로 분기하여, 분기된 적어도 2개의 광경로들이 빔 성형부의 입사면의 서로 다른 영역으로 향하도록 구성된 제1 빔 결합/분기부를 포함하는 결합/분기부; 빔 성형부에서 성형된 플랫 탑 레이저 빔들을 피대상체에 시순차적으로 겹치어 결상하도록 구성된 결상 광학계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 빔 결합/분기부는, 제1 및 제2 레이저 광원들에서 시간차를 두고 출사되는 제1 및 제2 레이저 빔들의 광경로를 결합하는 제1 광경로 결합기; 및 제1 광경로 결합기로부터 출사된 레이저 빔을 적어도 2개의 부분 레이저 빔들로 분기하는 제1 빔 분기기;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 레이저 광원들에서 출사되는 제1 및 제2 레이저 빔은 제1 편광을 가지며, 제1 광경로 결합기는 제1 레이저 광원의 출사단에 배치되어 제1 레이저 광원에서 출사된 제1 레이저 빔의 제1 편광을 제1 편광에 직교하는 제2 편광으로 변환하는 1/2파장판과, 1/2파장판을 경유하여 제2 편광으로 변환된 제1 레이저 빔과 제1 편광을 갖는 제2 레이저 빔 중 어느 하나는 통과하고 어느 하나는 반사시키는 편광 빔 스플리터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 빔 결합/분기부는 제1 빔 분기기에서 분기된 적어도 2개의 광경로의 경로차를 보상하는 경로차 보상기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 경로차 보상기는 광경로의 길이를 연장시키는 반사부재를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 광원부는 시간차를 두고 구동되어 펄스형 제3 및 제4 레이저 빔을 각각 출사하는 제3 및 제4 레이저 광원들을 더 포함하며, 결합/분기부는 제3 및 제4 레이저 빔들의 광경로를 결합하고, 결합된 광경로를 적어도 2개의 광경로로 분기시키는 제2 빔 결합/분기부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 결합/분기부는, 제1 레이저 빔이 분기된 2개의 제1 부분 레이저 빔들이 빔 성형부의 입사면의 4분면 중 서로 다른 제1 및 제2 분면으로 입사되고, 제2 레이저 빔이 분기된 2개의 제2 부분 레이저 빔들이 빔 성형부의 입사면의 제1 및 제2 분면으로 입사되고, 제3 레이저 빔이 분기된 2개의 제3 부분 레이저 빔들이 빔 성형부의 입사면의 4분면 중 서로 다른 제3 및 제4 분면으로 입사되고, 제4 레이저 빔이 분기된 2개의 제4 부분 레이저 빔들은 빔 성형부의 입사면의 제3 및 제4 분면으로 입사되도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 피대상체에 시순차적으로 겹치어 결상하는 플랫 탑 레이저 빔들은 제1 및 제2 레이저 광원들의 구동 시간차에 따라 가변되는 가변 펄스폭을 갖는 것으로 이해될 수 있다.
일 실시예에서, 빔 성형부는 적어도 2개의 레이저 빔들을 공간적으로 균일화시키는 균질화 광학계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 균질화 광학계는 적어도 한 쌍의 렌즈 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 균질화 광학계는 2쌍의 실린드리컬 렌즈 어레이(Cylindrical lens array)를 포함할 수 있다. 다른 예로, 균질화 광학계는 사각 격자와 같이 2차원으로 배열되는 1쌍의 사각 렌즈 어레이(rectangular lens array)를 포함할 수도 있다.
일 측면에 있어서, 가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치는, 동시에 구동되어 펄스형 제1 및 제3 레이저 빔을 각각 출사하는 제1 및 제3 레이저 광원들과, 제1 및 제3 레이저 광원들과 시간차를 두고 동시에 구동되어 펄스형 제2 및 제4 레이저 빔을 각각 출사하는 제2 및 제4 레이저 광원들을 포함하는 광원부; 광원부에서 출사된 제1 내지 제4 레이저 빔들을 플랫 탑 레이저 빔들로 성형하도록 구성된 빔 성형부; 제1 및 제2 레이저 빔들의 광경로를 결합하도록 구성된 제1 광경로 결합기와 제3 및 제4 레이저 빔들의 광경로를 결합하도록 구성된 제2 광경로 결합기를 포함하며, 제1 광경로 결합기에서 결합된 광경로와 제2 광경로 결합기에서 결합된 광경로가 빔 성형부의 입사면의 서로 다른 영역으로 향하도록 구성되는 광경로 결합부; 및 제1 내지 제4 레이저 빔에 의한 플랫 탑 레이저 빔들이 피대상체에 겹치어 결상하도록 구성된 결상 광학계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔은 빔 성형부의 입사면의 제1 영역에 시순차적으로 겹치어 입사되며, 제3 레이저 빔과 제4 레이저 빔은 빔 성형부의 입사면의 제2 영역에 시순차적으로 겹치어 입사될 수 있다.
광원부는 동시에 구동되어 펄스형 제5 및 제7 레이저 빔을 각각 출사하는 제5 및 제7 레이저 광원들과, 제5 및 제7 레이저 광원들과 시간차를 두고 동시에 구동되어 펄스형 제6 및 제8 레이저 빔을 각각 출사하는 제6 및 제8 레이저 광원들을 포함하며,
광경로 결합부는 제5 및 제6 레이저 빔들의 광경로를 결합하도록 구성된 제3 광경로 결합기와 제7 및 제8 레이저 빔들의 광경로를 결합하도록 구성된 제4 광경로 결합기를 포함하며, 제3 광경로 결합기에서 결합된 광경로와 제4 광경로 결합기에서 결합된 광경로가 빔 성형부의 입사면의 서로 다른 영역으로 향하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치는 피대상체가 안착되는 스테이지; 및 스테이지를 주기적으로 이동시키기 위한 구동력을 생성 및 전달하는 구동 모듈;을 더 포함하며, 피대상체에 플랫 탑 레이저 빔을 조사하여 어닐링 공정을 수행하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 있어서, 가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치의 동작 방법으로서, 제1 및 제2 레이저 광원들을 시간차를 두고 구동하여 펄스형 제1 및 제2 레이저 빔을 각각 출사하도록 하여, 제1 및 제2 레이저 빔들이 피대상체에 시순차적으로 겹치어 결상할 수 있다.
일 측면에 있어서, 가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치의 동작 방법으로서, 제1 레이저 광원을 구동하여 펄스형 제1 레이저 빔을 출사시키는 단계; 제1 레이저 빔을 적어도 2개의 제1 부분 레이저 빔들로 분기시킨 후 빔 성형부의 입사면의 서로 다른 영역에 입사시키는 단계; 빔 성형부에 입사된 적어도 2개의 제1 부분 레이저 빔들을 제1 플랫 탑 레이저 빔으로 성형하는 단계; 제1 레이저 광원의 구동에 시간차를 두고 제2 레이저 광원을 구동하여 펄스형 제2 레이저 빔을 출사시키는 단계; 제2 레이저 빔을 적어도 2개의 제2 부분 레이저 빔들로 분기시킨 후 빔 성형부의 입사면의 서로 다른 영역에 입사시키는 단계; 빔 성형부에 입사된 적어도 2개의 제2 부분 레이저 빔들을 제2 플랫 탑 레이저 빔으로 성형하는 단계; 및 제1 레이저 빔에 의한 플랫 탑 레이저 빔들과 제2 레이저 빔에 의한 플랫 탑 레이저 빔들을 피대상체에 시순차적으로 겹치어 결상하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 레이저 광원들의 구동에 부가되는 시간차를 조절함으로써, 제1 레이저 빔에 의한 플랫 탑 레이저 빔과 제2 레이저 빔에 의한 플랫 탑 레이저 빔이 시간적으로 합성되어 형성되는 펄스폭을 가변시킬 수 있다.
개시된 실시예에 의한 가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치 및 이의 동작 방법은, 기존의 레이저 가공 장치의 광학계 구성을 유지하면서도 더 많은 수의 레이저 빔을 제어가 가능해 지며, 펄스폭 조절 및 레이저 빔들의 에너지 조절을 통해 균일도를 향상 시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 레이저 장치의 광학적 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 결합/분기부의 광학적 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 결합/분기부의 광학적 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1의 레이저 장치에서 레이저 광원들의 구동 타이밍의 일 예를 도시한다.
도 5는 도 1의 광원부에서 출사되는 레이저 빔의 펄스들을 도시한다.
도 6은 도 1의 레이저 장치에서 결합/분기부로부터 결합 및 분기되어 빔 성형부에 입사된 빔들의 에너지 분포를 도시한 도면이다.
도 7은 비교예에 따른 레이저 장치에서 빔 성형부에 입사된 빔들의 에너지 분포를 도시한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 레이저 장치와 비교예의 레이저 장치에서 빔 성형부에 입사된 빔들의 강도분포를 횡단면에서 비교한 도면이다.
도 9는 도 8에서 빔 성형부를 거쳐 피대상체에 결상되는 스폿들의 빔 강도 분포를 도시한 그래프이다.
도 10은 도 9에 도시된 스폿들의 빔 강도의 산포도를 도시한다.
도 11은 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 광학적 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 12는 도 11의 레이저 장치에서 레이저 광원들의 구동 타이밍의 일 예를 도시한다.
도 13은 일 실시예에 따른 광경로 결합기의 광학적 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 14은 도 11의 레이저 장치에서 광경로 결합부에 의해 결합되어 시순차적으로 빔 성형부에 입사된 빔들의 에너지 분포를 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 도면에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 따른 레이저 장치(1)의 광학적 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 레이저 장치(1)는, 광원부(10), 결합/분기부(20), 빔 성형부(30) 및 결상 광학계(50)를 포함할 수 있다. 이러한 레이저 장치는 어닐링 등의 반도체 공정에 사용되는 레이저 가공 장치일 수 있다.
광원부(10)는 제1 내지 제4 레이저 광원들(11, 12, 13, 14)을 포함한다. 제1 내지 제4 레이저 광원들(11, 12, 13, 14)은 제어부(90)에 의해 시간차를 두고 구동되어 펄스 파형의 제1 내지 제4 레이저 빔들(L1, L2, L3, L4)이 출사되도록 할 수 있다. 제1 내지 제4 레이저 광원들(11, 12, 13, 14)의 구동 순서는 결합/분기부(20)의 광학계 배치 등에 따라 달라질 수 있다.
제1 내지 제4 레이저 빔들(L1, L2, L3, L4)은 모두 편광되어 있을 수 있다. 제1 내지 제4 레이저 광원들(11, 12, 13, 14) 자체가 편광된 레이저 빔을 출사하는 레이저 소자이거나, 또는 제1 내지 제4 레이저 광원들(11, 12, 13, 14)의 출사단 각각에 편광자(polarizer)가 마련되어 있을 수 있다. 예시적으로, 제1 내지 제4 레이저 광원들(11, 12, 13, 14)에서 출사된 제1 내지 제4 레이저 빔들(L1, L2, L3, L4)은 선형 편광되어 있을 수 있다.
결합/분기부(20)는 제1 및 제2 레이저 빔들(L1, L2)의 광경로를 결합하고 결합된 광경로를 적어도 2개의 광경로로 분기하는 제1 빔 결합/분기부(21)와, 제3 및 제4 레이저 빔들(L3, L4)의 광경로를 결합하고 결합된 광경로를 적어도 2개의 광경로로 분기하는 제2 빔 결합/분기부(22)를 포함할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 제1 빔 결합/분기부(21)의 광학적 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 제1 빔 결합/분기부(21)는 제1 및 제2 레이저 빔들(L1, L2)의 광경로를 결합하는 제1 광경로 결합기와, 제1 광경로 결합기로부터 출사된 레이저 빔을 적어도 2개의 부분 레이저 빔들로 분기하는 제1 빔 분기기를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 레이저 빔들(L1, L2)은 제1 편광(예시적으로, P 편광)으로 편광되어 있을 수 있는바, 제1 광경로 결합기와 제1 빔 분기기는 편광을 이용할 수 있다.
제1 광경로 결합기는 1/2파장판(half-wave plate)(211)과 제1 편광 빔 스플리터(212)의 조합으로 구성될 수 있다. 1/2파장판(211)은 제1 레이저 광원(11)의 출사단에 배치되어 제1 레이저 빔(L1)의 제1 편광(P 편광)을 제1 편광에 직교하는 제2 편광(S 편광)을 변환할 수 있다. 제1 편광 빔 스플리터(212)는 제1 편광(예시적으로, P 편광)의 레이저 빔은 투과하고, 제1 편광에 직교하는 제2 편광(예시적으로, S 편광)의 레이저 빔은 반사하도록 구성된 큐빅형 광학 소자일 수 있다. 제1 편광 빔 스플리터(212)는 제1 입사면과, 제2 입사면과, 출사면과, 그 내부에 대각 방향으로 마련된 편광 선택성 반사층을 포함할 수 있다. 출사면은 제2 입사면에 대향되도록 구성될 수 있다. 1/2파장판(211)에 의해 제2 편광(S 편광)으로 변환된 제1 레이저 빔(L1)이 제1 입사면에 입사되면 편광 선택성 반사층에서 반사되어 출사면으로 출사되며, 제1 편광(P 편광)을 갖는 제2 레이저 빔(L2)이 제2 입사면 입사되면 편광 선택성 반사층을 그대로 통과하여 출사면으로 출사된다. 그 결과, 제2 편광(S 편광)으로 변환된 제1 레이저 빔(L1)의 광경로와 제1 편광(P 편광)을 갖는 제2 레이저 빔(L2)의 광경로는 제1 편광 빔 스플리터(212)에서 출사된 이후 하나의 광경로로 합쳐지게 된다. 제1 레이저 광원(11)과 제2 레이저 광원(12)은 시순차적으로 구동되므로, 제1 레이저 빔(L1)과 제2 레이저 빔(L2)은 제1 광경로 결합기를 통해 결합된 하나의 광경로를 따라 시순차적으로 진행하게 된다.
제1 빔 분기기는 1/4파장판(quarter-wave plate)(213)과, 제2 편광 빔 스플리터(214)과, 광경로 변환부재(215)를 포함할 수 있다. 1/4파장판(213)은 선형편광의 광을 원형편광의 광으로 편광 변환시키는 광학 소자이다. 가령, 제2 편광(S 편광)으로 변환된 제1 레이저 빔(L1)은 1/4파장판(213)을 거쳐 원편광의 빔으로 변환되고, 제1 편광(P 편광)을 갖는 제2 레이저 빔(L2)은 1/4파장판(213)을 거쳐 원편광의 빔으로 변환될 수 있다.
제2 편광 빔 스플리터(214)는 입사면과, 제1 출사면과, 제2 출사면과, 그 내부에 대각 방향으로 마련된 편광 선택성 반사층을 포함할 수 있다. 제2 출사면은 상기 입사면에 대향되도록 구성될 수 있다. 제2 편광 빔 스플리터(214)의 입사면에 입사된 원편광의 제1 레이저 빔(L1)은 편광 선택성 반사층에서 제2 편광(예시적으로, S 편광) 성분의 제1-1 부분 레이저 빔(L11)과 제1 편광(예시적으로, P 편광) 성분의 제1-2 부분 레이저 빔(L12)으로 분기될 수 있다. 제1-1 부분 레이저 빔(L11)과 제1-2 부분 레이저 빔(L12)은 그 크기(즉, 에너지)가 균등하게 분기될 수 있다. 마찬가지로, 제2 편광 빔 스플리터(214)의 입사면에 입사된 원편광의 제2 레이저 빔(L2)은 편광 선택성 반사층에서 제2 편광(예시적으로, S 편광) 성분의 제2-1 부분 레이저 빔(L21)과 제1 편광(예시적으로, P 편광) 성분의 제2-2 부분 레이저 빔(L22)으로 분기될 수 있다. 예시적으로, 제1-1 부분 레이저 빔(L11)과 제2-1 부분 레이저 빔(L21)은 제2 편광 빔 스플리터(214)의 제1 출사면을 통해 출사되고, 제1-2 부분 레이저 빔(L12)과 제2-2 부분 레이저 빔(L22)은 제2 편광 빔 스플리터(214)의 제2 출사면을 통해 출사될 수 있다. 제2-1 부분 레이저 빔(L21)과 제2-2 부분 레이저 빔(L22) 역시, 그 크기(즉, 에너지)가 균등하게 분기될 수 있다.
제1 빔 분기기에는 광경로 변환부재(215)가 더 마련될 수 있다. 광경로 변환부재(215)는 예시적으로, 하나 혹은 복수개의 반사미러나 전반사 프리즘으로 구성될 수 있다. 제2 편광 빔 스플리터(214)의 제1 출사면 쪽으로 분기된 제1 광경로(즉, 제1-1 부분 레이저 빔(L11)과 제2-1 부분 레이저 빔(L21)이 진행되는 광경로)는 광경로 변환부재(215)에 의해 빔 성형부(30)의 입사면의 제1 영역(예시적으로, 도 6의 R1)으로 향하도록 구성된다. 제2 편광 빔 스플리터(214)의 제2 출사면 쪽으로 분기된 제2 광경로(즉, 제1-2 부분 레이저 빔(L12)과 제2-2 부분 레이저 빔(L22)이 진행되는 광경로)는 빔 성형부(30)의 입사면의 상기 제1 영역과 다른 제2 영역(예시적으로, 도 6의 R2)으로 향하도록 구성된다. 제2 광경로에도 광경로 변환부재(미도시)가 마련될 수 있음은 물론이다.
제2 빔 결합/분기부(22)는 제3 및 제4 레이저 빔들(L3, L4)의 광경로를 결합하는 제2 광경로 결합기와, 제2 광경로 결합기로부터 출사된 레이저 빔을 적어도 2개의 부분 레이저 빔들로 분기하는 제2 빔 분기기를 포함할 수 있다. 제2 빔 분기기에서 분기된 제3 광경로(즉, 제3-3 부분 레이저 빔(L33)과 제4-3 부분 레이저 빔(L43)이 진행되는 광경로)는 빔 성형부(30)의 입사면의 제3 영역(예시적으로, 도 6의 R3)으로 향하도록 구성되며, 제4 광경로(즉, 제3-4 부분 레이저 빔(L34)과 4-4 부분 레이저 빔(L44)이 진행되는 광경로)는 빔 성형부(30)의 입사면의 상기 제3 영역과 다른 제4 영역(예시적으로, 도 6의 R4)으로 향하도록 구성된다. 이러한 제2 빔 결합/분기부(22)의 광학적 구성은 제1 빔 결합/분기부(21)와 실질적으로 동일하므로, 중복된 설명은 생략한다.
도 3은 다른 실시예에 따른 제1 빔 결합/분기부(21')의 광학적 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 실시예의 제1 빔 결합/분기부(21')는 제1 및 제2 레이저 빔들(L1, L2)의 광경로를 결합하는 제1 광경로 결합기와, 제1 광경로 결합기로부터 출사된 레이저 빔을 적어도 2개의 부분 레이저 빔들로 분기하는 제1 빔 분기기와 함께, 경로차 보상기(70)를 더 포함할 수 있다. 제1 광경로 결합기와 제1 빔 분기기는 도 2를 참조한 제1 빔 결합/분기부(21)의 구성과 실질적으로 동일하므로, 중복된 설명은 생략하기로 한다.
제2 편광 빔 스플리터(214)에서 분기된 제1 광경로(즉, 제1-1 부분 레이저 빔(L11)과 제2-1 부분 레이저 빔(21)이 진행되는 광경로)와 제2 광경로(즉, 제1-2 부분 레이저 빔(L12)과 제2-2 부분 레이저 빔(L22)이 진행되는 광경로) 각각에서의 빔 성형부(30)의 입사면에 도달하기까지의 거리는 다를 수 있다. 예시적으로, 제1 광경로와 제2 광경로의 경로차는 수십cm일 수 있으며, 이러한 거리는 수nsec의 시간차를 발생시킬 수 있다. 이 결과, 어느 한 레이저 광원에서 출사되어 분기된 레이저 빔(예를 들어, 제1-1 부분 레이저 빔(L11)과 제1-2 부분 레이저 빔(L12)이 피대상체(T)에 조사되는 타이밍에 시간차를 발생시켜, 빔의 균일성에 악영향을 미치거나 제어되는 레이저 빔의 타이밍을 부정확하게 하는 요인이 될 수 있다. 경로차 보상기(70)는 제1 광경로 또는 제2 광경로에 배치되어 상기와 같은 경로차를 보상하도록 구성된다. 예시적으로, 경로차 보상기(70)는 복수의 반사부재(71, 72)로 구성되어 광경로를 연장시킬 수 있다. 반사부재(71, 72)는 가령 반사미러나 전반사 프리즘일 수 있다. 도 1에 도시된 복수의 반사부재(71, 72)는 예시적인 것이며, 하나 혹은 세 개 이상의 반사부재를 이용하여 경로차를 보상하도록 구성할 수도 있다.
다시 도 1로 되돌아가면, 빔 성형부(30)는 광원부(10)에서 시간차를 두고 출사된 제1 내지 제4 레이저 빔들(L1, L2, L3, L4)을 플랫 탑 레이저 빔들(L)로 성형하도록 구성된다. 일 예로, 빔 성형부(30)는 균질화 광학계(31)를 포함할 수 있다. 균질화 광학계(31)는 일 예로, 두 쌍의 실린드리컬 렌즈 어레이(31, 32)를 포함할 수 있다. 예시적으로, 첫번째 쌍의 실린드리컬 렌즈 어레이(31)는 제1 실린드리컬 렌즈 어레이(31a)와 제2 실린드리컬 렌즈 어레이(31b)를 포함할 수 있다. 두번째 쌍의 실린드리컬 렌즈 어레이(32)는 첫번째 쌍의 실린드리컬 렌즈 어레이(31)에 연이어져 배치되며, 제3 실린드리컬 렌즈 어레이(32a)와 제4 실린드리컬 렌즈 어레이(32b)를 포함할 수 있다. 제1 및 제3 실린드리컬 렌즈 어레이(31a, 32a)는 다수의 실린드리컬 렌즈들이 제1 방향으로 배열되어 구성되며, 제2 및 제4 실린드리컬 렌즈 어레이(31b, 32b)는 다수의 실린드리컬 렌즈들이 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 배열되어 구성될 수 있다.
다른 예로서, 균질화 광학계(31)는 한 쌍의 사각 렌즈 어레이(미도시)를 포함할 수도 있다. 한 쌍의 사각 렌즈 어레이는 다수의 사각 렌즈들이 사각 격자와 같이 2차원적으로 배열되어 구성될 수 있다.
빔 성형부(30)는 복수의 광학렌즈(33, 37)를 더 포함할 수도 있다. 일 예로, 복수의 광학렌즈(33, 37)는 릴레이 렌즈군을 이룰 수 있다. 복수의 광학렌즈(33, 37) 사이에는 어퍼처(aperture)와 같은 셔터(35)가 배치될 수도 있다. 도 1에는 복수의 광학렌즈(33, 37)가 두 쌍의 실린드리컬 렌즈 어레이(31, 32)의 출사측에 배치된 경우를 도시하고 있으나, 두 쌍의 실린드리컬 렌즈 어레이(31, 32)의 입사측에 렌즈(미도시)가 추가적으로 배치될 수도 있다.
결상 광학계(50)는 하나 이상의 렌즈(51, 55)를 포함하며, 빔 성형부(30)에서 성형된 플랫 탑 레이저 빔들(L)을 확대 또는 축소하며 피대상체(T)에 결상하도록 구성된다. 결상 광학계(50)는 플랫 탑 레이저 빔들(L)의 광경로를 변경하는 반사부재(53)를 더 포함할 수도 있다. 반사부재(53)는 가령 반사미러나 전반사 프리즘일 수 있다. 피대상체(T)는 스테이지(60)에 탑재되고, 스테이지(60)의 제어부(90)의 제어에 의해 이동할 수 있다.
레이저 장치(1)는 빔 단면을 성형하는 마스크(40)를 더 포함할 수도 있다. 마스크(40)는 빔 성형부(30)에서 성형된 플랫 탑 레이저 빔들(L)의 빔의 사이즈 및/또는 모양을 성형할 수 있다. 마스크(40)는 빔 성형부(30)와 결상 광학계(50) 사이에 배치되거나 또는 결상 광학계(50) 내의 광경로상에 배치될 수도 있다.
다음으로, 도 4 내지 도 10을 참조하여, 본 실시예의 레이저 장치(1)의 동작을 설명하기로 한다.
도 4는 도 1의 레이저 장치(1)에서 레이저 광원들의 구동 타이밍의 일 예를 도시하며, 도 5는 도 1의 광원부(10)에서 출사되는 레이저 빔의 펄스들을 도시하며, 도 6은 도 1의 레이저 장치(1)에서 결합/분기부에서 결합 및 분기되어 빔 성형부에 입사된 빔들의 에너지 분포를 도시한 도면이다.
도 4의 (a)는 제1 레이저 광원(11)의 구동 타이밍 T1을 나타내며, 도 4의 (b)는 제2 레이저 광원(11)의 구동 타이밍 T3을 나타내며, 도 4의 (c)는 제3 레이저 광원(13)의 구동 타이밍 T2를 나타내며, 도 4의 (d)는 제4 레이저 광원(14)의 구동 타이밍 T4를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 제어부(90)는 제1 레이저 광원(11), 제3 레이저 광원(13), 제2 레이저 광원(12) 및 제4 레이저 광원(14)을 구동 타이밍 T1, T2, T3, T4의 순서대로 구동할 수 있다. 이러한 구동 순서는 예시적인 것이며, 결합/분기부(20)의 광학계 배치 등에 따라 달라질 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 내지 제4 레이저 광원들(11, 12, 13, 14)에서 출사된 제1 내지 제4 레이저 빔들(L1, L2, L3, L4) 각각은 펄스 파형을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 레이저 빔들(L1, L2, L3, L4) 각각은 서브ns 내지 수백ns의 펄스폭을 가질 수 있으며, 제1 내지 제4 레이저 빔들(L1, L2, L3, L4)의 펄스폭과 강도는 모두 동일할 수 있다. 제1 내지 제4 레이저 광원들(11, 12, 13, 14)은 서브ns 내지 수백ns의 시간차를 가지고 구동될 수 있다. 제1 내지 제4 레이저 광원들(11, 12, 13, 14) 사이의 구동 시간차는 피대상체(T)의 가공 조건에 따라 달라 질 수 있으며, 또한 일부는 서로 같고, 일부는 서로 다를 수 있다. 예시적으로 도 4 및 도 5에 도시되듯이, 제2 레이저 광원(12)과 제4 레이저 광원(14) 사이의 구동 시간차를 제1 내지 제3 레이저 광원들(11, 12, 13) 사이의 구동 시간차보다 길게 설정함으로써, 어닐링 공정에서 피대상체(T)의 가열 온도를 적절히 유지하도록 할 수 있다.
도 6을 참조하면, 시간차를 두고 출사된 제1 내지 제4 레이저 빔들(L1, L2, L3, L4)은 각각 결합/분기부(20)에서 결합 및 분기되어 빔 성형부(30)의 입사면(즉, 제1 렌즈 어레이(31a)의 입사면)에 입사된다. 결합/분기부(20)에서 분기된 4개의 광경로는 빔 성형부(30)의 입사면의 서로 다른 영역(즉, 제1 내지 제4 영역(R1, R2, R3, R4))으로 향하게 된다. 제1 내지 제4 영역(R1, R2, R3, R4)은 입사면의 사분면으로 나눌 때, 각 1개 분면으로 이해될 수 있다.
구동 타이밍 T1에 출사된 제1 레이저 빔(L1)은 제1-1 및 제1-2 부분 레이저 빔들(L11, L12)로 분기되고, 제1-1 및 제1-2 부분 레이저 빔들(L11, L12)은 각각 빔 성형부(30)의 입사면의 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)에 입사된다. 제1-1 및 제1-2 부분 레이저 빔들(L11, L12)은 제1 레이저 빔(L1)의 에너지 E1를 1/2식 나누어 가지고 있으므로, 구동 타이밍 T1 동안에 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)에는 각각 E1/2의 에너지가 입사된다.
구동 타이밍 T2에 출사된 제3 레이저 빔(L3)은 제3-3 및 제3-4 부분 레이저 빔들(L33, L34)로 분기되고, 제3-3 및 제3-4 부분 레이저 빔들(L33, L34)은 각각 빔 성형부(30)의 입사면의 제3 영역(R3)과 제4 영역(R4)에 입사된다. 제3-3 및 제3-4 부분 레이저 빔들(L33, L34)는 제3 레이저 빔(L3)의 에너지 E3을 1/2식 나누어 가지고 있으므로, 구동 타이밍 T2 동안에 제3 영역(R3)과 제4 영역(R4)에는 각각 E3/2의 에너지가 입사된다.
구동 타이밍 T3에 출사된 제2 레이저 빔(L2)은 제2-1 및 제2-2 부분 레이저 빔들(L21, L22)로 분기되고, 제2-1 및 제2-2 부분 레이저 빔들(L21, L22)은 각각 빔 성형부(30)의 입사면의 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)에 입사된다. 제2-1 및 제2-2 부분 레이저 빔들(L21, L22)은 제2 레이저 빔(L2)의 에너지 E2를 1/2식 나누어 가지고 있으므로, 구동 타이밍 T3 동안에 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)에는 각각 E2/2의 에너지가 입사된다.
구동 타이밍 T4에 출사된 제4 레이저 빔(L4)은 제4-3 및 제4-4 부분 레이저 빔들(L43, L44)로 분기되고, 제4-3 및 제4-4 부분 레이저 빔들(L43, L44)은 각각 빔 성형부(30)의 입사면의 제3 영역(R3)과 제4 영역(R4)에 입사된다. 제4-3 및 제4-4 부분 레이저 빔들(L43, L44)는 제4 레이저 빔(L4)의 에너지 E4를 1/2식 나누어 가지고 있으므로, 구동 타이밍 T4 동안에 제3 영역(R3)과 제4 영역(R4)에는 각각 E4/2의 에너지가 입사된다. 에너지 E1, E2, E3 및 E4는 같은 크기를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
구동 타이밍 T1 에 결합/분기부(20)에서 분기된 제1-1 및 제1-2 부분 레이저 빔들(L11, L12)은 빔 성형부(30)에서 균일화되면서 다시 합쳐져 횡단면의 빔 강도가 플랫 탑 형상의 분포를 갖도록 성형되어, 피대상체(T)에 조사된다. 구동 타이밍 T2 에 결합/분기부(20)에서 분기된 제3-3 및 제3-4 부분 레이저 빔들(L33, L34)은 빔 성형부(30)에서 균일화되면서 다시 합쳐져 횡단면의 빔 강도가 플랫 탑 형상의 분포를 갖도록 성형되어, 피대상체(T)에 조사된다. 구동 타이밍 T3에 결합/분기부(20)에서 분기된 제2-1 및 제2-2 부분 레이저 빔들(L21, L22)은 빔 성형부(30)에서 균일화되면서 다시 합쳐져 횡단면의 빔 강도가 플랫 탑 형상의 분포를 갖도록 성형되어, 피대상체(T)에 조사된다. 구동 타이밍 T4에 결합/분기부(20)에서 분기된 제4-3 및 제4-4 부분 레이저 빔들(L43, L44)은 빔 성형부(30)에서 균일화되면서 다시 합쳐져 횡단면의 빔 강도가 플랫 탑 형상의 분포를 갖도록 성형되어, 피대상체(T)에 조사된다. 피대상체(T)에 조사되는 플랫 탑 레이저 빔들은 시순차적으로 겹쳐짐으로써 가변 펄스 폭을 갖는 플랫 탑 레이저 빔으로 간주될 수 있다. 구동 타이밍 T1, T3, T2, T4를 적절히 설정함으로써, 레이저 빔의 전체 펄스 폭은 가변될 수 있으며, 피대상체(T)의 가공면의 가열온도를 적절한 수준으로 조절할 수 있다.
도 7은 비교예에 따른 레이저 장치에서 빔 성형부에 입사된 빔들의 세기 분포를 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 비교예에 따른 레이저 장치는 전술한 실시예의 레이저 장치(1)에서 결합/분기부가 생략된 광학계를 가지며, 이러한 경우 제1 내지 제4 레이저 빔(L1, L2, L3, L4)은 빔 성형부(30)의 입사면의 4분면(즉, 제1 내지 제4 영역(R1, R2, R3, R4))에 각각 조사하게 된다.
도 8은 일 실시예에 따른 레이저 장치와 비교예의 레이저 장치에서 빔 성형부에 입사된 빔들의 강도분포를 횡단면에서 비교한 도면이며, 도 9는 도 8에서 빔 성형부를 거쳐 피대상체에 결상되는 스폿들의 빔 강도 분포를 도시한 그래프이며, 도 10은 도 9에 도시된 스폿들의 빔 강도의 산포도를 도시한다.
도 8에서 (a) 및 (b)는 비교예로서, 제1 레이저 빔(L1) 및 제2 레이저 빔(L2)이 결합/분기 없이 빔 성형부(30)의 입사면의 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)에 각각 조사되고 있음을 보여주며, 도 9에서 (a) 및 (b)는 제1 레이저 빔(L1) 및 제2 레이저 빔(L2)이 피대상체(T)(결상면)에 각각 결상될 때, 각각 플랫 탑 형상의 강도 분포를 가지고 있음을 보여주고 있다.
한편, 도 8에서 (c)는 본 실시예에 대응되는 것으로서, 제1-1 부분 레이저 빔(L11)과 제1-2 부분 레이저 빔(L12)이 빔 성형부(30)의 입사면의 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)에 동시에 조사되고 있음을 보여주며, 도 9에서 (c)는 제1-1 부분 레이저 빔(L11)과 제1-2 부분 레이저 빔(L12)이 피대상체(T)(결상면)에 결상될 때의 플랫 탑 형상의 강도 분포를 가지고 있음을 보여준 있다.
도 10을 참조하면, 도 9에서 (a) 및 (b)에 도시된 빔 강도 분포에서의 산포도가 대략 6% 근방에 있음을 볼 수 있으며, 도 9에서 (c)에 도시된 빔 강도 분포의 산포도가 대략 4.5% 근방에 있음을 볼 수 있다. 즉, 본 실시예와 같이 결합/분기부(20)를 이용하는 경우, 플랫 탑 형상의 강도 분포가 결합/분기부를 이용하지 않는 경우에 비하여 대략 25% 정도 산포도가 낮아지고 있음을 볼 수 있다. 달리 말하여, 본 실시예와 같이 결합/분기부(20)를 이용하는 경우, 레이저 장치(1)는 좀 더 균일한 플랫 탑 형상의 빔 강도 분포의 레이저 빔을 피대상체(T)에 조사할 수 있게 된다.
도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한 레이저 장치(1)는 광원부(10)의 레이저 광원 개수는 4개인 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 광원부(10)의 레이저 광원 개수가 적어도 2개 이상이면 광경로의 결합 및 분기를 통해 플랫 탑 형상의 빔 강도 분포의 균일성을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 전술한 실시예의 레이저 장치(1)는 광원 별로 2개의 광경로로 분기시키고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 결합/분기부(20)의 분기기를 추가적으로 배치함으로써 광원 별로 분기되는 광경로의 개수를 2보다 크게 할 수도 있을 것이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 레이저 장치(1')의 광학적 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 실시예의 레이저 장치(1')는, 광원부(10'), 광경로 결합부(80), 빔 성형부(30) 및 결상 광학계(50)를 포함할 수 있다. 본 실시예의 레이저 장치(1')는 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한 레이저 장치(1)에서 광원부(10)의 레이저 광원 개수를 4개에서 8개로 늘림과 동시에, 결합/분기부(20)를 대신하여 광경로 결합부(80)를 이용하는바, 중복되는 설명은 생략하고 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
광원부(10')는 제1 내지 제8 레이저 광원들(11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)을 포함한다. 제1 내지 제8 레이저 광원들(11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)은 제어부(90)에 의해 시간차를 두고 구동되어 펄스 파형의 제1 내지 제8 레이저 빔들(L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8)이 순차적으로 출사되도록 할 수 있다. 제1 내지 제8 레이저 빔들(L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8)은 모두 편광되어 있을 수 있다. 예시적으로, 제1 내지 제8 레이저 빔들(L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8)은 선형 편광되어 있을 수 있다. 제1 내지 제8 레이저 빔들(L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8)은 빔 성형부(30)에서 플랫 탑 형상의 강도 분포를 갖도록 성형되고, 결상 광학계(50)를 거쳐 피대상체(T)에 조사된다. 피대상체(T)에 조사되는 제1 내지 제8 레이저 빔들(L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8)은 시순차적으로 겹쳐짐으로써 가변 펄스 폭을 갖는 플랫 탑 레이저 빔으로 간주될 수 있다.
도 12는 본 실시예의 레이저 장치에서 레이저 광원들의 구동 타이밍의 일 예를 도시한다. 구체적으로, 도 12의 (a)는 제1 레이저 광원(11)의 구동 타이밍 T1을 나타내며, 도 12의 (b)는 제2 레이저 광원(12)의 구동 타이밍 T3을 나타내며, 도 12의 (c)는 제3 레이저 광원(13)의 구동 타이밍 T1을 나타내며, 도 4의 (d)는 제4 레이저 광원(14)의 구동 타이밍 T3을 나타내며, 도 12의 (e)는 제5 레이저 광원(15)의 구동 타이밍 T2를 나타내며, 도 12의 (f)는 제6 레이저 광원(16)의 구동 타이밍 T4를 나타내며, 도 12의 (g)는 제7 레이저 광원(17)의 구동 타이밍 T2를 나타내며, 도 12의 (h)는 제8 레이저 광원(18)의 구동 타이밍 T4를 나타낸다. 도 12를 참조하면, 제1 및 제3 레이저 광원(11, 13)은 동시에 구동되며, 소정의 시간차를 두고 제5 및 제7 레이저 광원(15, 17)이 동시에 구동되며, 후속하여 소정의 시간차를 두고 제2 및 제4 레이저 광원(12, 14)이 동시에 구동되며, 후속하여 소정의 시간차를 두고 제6 및 제8 레이저 광원(16, 18)이 동시에 구동된다. 이러한 제1 내지 제8 레이저 광원들(11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)의 구동 순서는 광경로 결합부(80)의 광학계 배치 등에 따라 달라질 수 있다. 제1 내지 제8 레이저 광원들(11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)의 구동 시간차를 적절히 설정함으로써, 피대상체(T)에 조사되는 레이저 빔의 전체 펄스 폭은 가변될 수 있으며, 피대상체(T)의 가공면의 가열온도를 적절한 수준으로 조절할 수 있다.
다시 도 11을 참조하면, 광경로 결합부(80)는 제1 내지 제4 광경로 결합기(81, 82, 83, 84)를 포함할 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 제1 광경로 결합기(81)의 광학적 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 13을 참조하면, 제1 광경로 결합기(81)는 1/2파장판(211)과 편광 빔 스플리터(212)의 조합으로 구성될 수 있다. 1/2파장판(211)은 제1 레이저 광원(11)의 출사단에 배치되어 제1 레이저 빔(L1)의 제1 편광(예시적으로, P 편광)을 제1 편광에 직교하는 제2 편광(예시적으로, S 편광)을 변환할 수 있다. 편광 빔 스플리터(212)는 제1 입사면과, 제2 입사면과, 출사면과, 그 내부에 대각 방향으로 마련된 편광 선택성 반사층을 포함하며, 편광 선택성 반사층은 제1 편광(예시적으로, P 편광)의 레이저 빔은 투과하고, 제1 편광에 직교하는 제2 편광(예시적으로, S 편광)의 레이저 빔은 반사하도록 구성될 수 있다. 제1 레이저 광원(11)에서 출사된 제1 레이저 빔(L1)은 1/2파장판(211)을 거쳐 편광 빔 스플리터(212)의 편광 선택성 반사층에서 반사되어 출사면으로 출사되고, 제2 레이저 광원(12)에서 출사된 제2 레이저 빔(L2)은 편광 선택성 반사층을 그대로 통과하여 출사면으로 출사되어 하나의 광경로로 합쳐지게 된다. 도 12에 도시된 바와 같이 제1 레이저 광원(11)과 제2 레이저 광원(12)은 시순차적으로 구동되므로, 제1 레이저 빔(L1)과 제2 레이저 빔(L2)은 광경로 결합기를 통해 결합된 하나의 광경로를 따라 시순차적으로 진행하게 된다. 제1 광경로 결합기(81)에서 결합된 광경로는 빔 성형부(30)의 입사면의 일 영역(예시적으로 도 14의 R1)으로 향하도록 구성된다. 마찬가지로, 제2 광경로 결합기(82)는 제3 및 제4 레이저 빔(L3, L4)의 광경로를 결합시켜 결합된 광경로가 빔 성형부(30)의 입사면의 일 영역(예시적으로 도 14의 R2)으로 향하도록 구성되며, 제3 광경로 결합기(83)는 제5 및 제6 레이저 빔(L5, L6)의 광경로를 결합시켜 결합된 광경로가 빔 성형부(30)의 입사면의 일 영역(예시적으로 도 14의 R3)으로 향하도록 구성되며, 제4 광경로 결합기(84)는 제7 및 제8 레이저 빔(L7, L8)의 광경로를 결합시켜 결합된 광경로가 빔 성형부(30)의 입사면의 일 영역(예시적으로 도 14의 R4)으로 향하도록 구성될 수 있다.
제2 내지 제4 광경로 결합기(82, 83, 84)의 광학적 구성은 제1 광경로 결합기(81)의 광학적 구성과 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 14는 도 11의 레이저 장치(1')에서 제1 내지 제8 레이저 빔들(L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8)이 광경로 결합부에서 결합되어 시순차적으로 빔 성형부에 입사된 빔들의 에너지 분포를 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 구동 타이밍 T1 동안에 제1 및 제3 레이저 광원(11, 13)이 동시에 구동되어, 제1 및 제3 레이저 빔(L1, L3)은 각각 빔 성형부(30)의 입사면의 제1 및 제2 영역(R1, R2)에 입사된다. 제1 및 제3 레이저 빔(L1, L3) 각각이 분기없이 빔 성형부(30)의 입사면에 입사되므로, 구동 타이밍 T1 동안에 제1 영역(R1)에는 제1 레이저 빔(L1)의 에너지 E1이 조사되며, 제2 영역(R2)에는 제3 레이저 빔(L3)의 에너지 E3이 조사된다. 시순차적으로 구동 타이밍 T2 동안에는 제3 영역(R3)에 제5 레이저 빔(L5)의 에너지 E5가 조사되며, 제4 영역(R4)에 제7 레이저 빔(L7)의 에너지 E7이 조사된다. 구동 타이밍 T3 동안에는 제1 영역(R1)에 제2 레이저 빔(L2)의 에너지 E2가 조사되며, 제2 영역(R2)에 제4 레이저 빔(L4)의 에너지 E4가 조사된다. 구동 타이밍 T4 동안에는 제3 영역(R3)에 제6 레이저 빔(L6)의 에너지 E6이 조사되며, 제4 영역(R4)에 제8 레이저 빔(L8)의 에너지 E8이 조사된다.
도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한 실시예와 유사하게, 빔 성형부(30)의 입사면의 서로 다른 위치에 복수의 레이저 빔을 동시에 조사하므로, 빔 성형부(30)에서 성형되는 레이저 빔의 플랫 탑 형상의 강도 분포의 균일도를 향상시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 실시예에서는 8개의 레이저 광원으로 빔 성형부(30)의 입사면을 사분하여 2개 영역씩 시순차적으로 조명하고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 가령, 8개를 넘는 레이저 광원을 이용하거나, 빔 성형부(30)의 입사면을 5개 영역 이상으로 분할하는 구성도 가능할 것이다.
전술한 본 발명인 가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치 및 이의 동작 방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
1, 1': 레이저 장치
10, 10': 광원부
11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18: 레이저 광원
20: 결합/분기부
21, 22, 21', 22': 빔 결합/분기부
30: 빔 성형부
31: 균질화 광학계
31a, 31b: 렌즈 어레이
33, 37, 51, 55: 렌즈
35: 셔터
53, 215: 광경로 변환부재
211: 1/2파장판
212, 214: 편광 빔 스플리터
213: 1/4파장판
40: 마스크
50: 결상 광학계
60: 스테이지
70: 경로차 보상기
71, 72: 반사부재
80: 광경로 결합부
81, 82, 83, 84: 광경로 결합기
90: 제어부
L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8: 레이저 빔
L: 플랫 탑 레이저 빔
T: 피대상체

Claims (14)

  1. 시간차를 두고 구동되어 펄스형 제1 및 제2 레이저 빔을 각각 출사하는 제1 및 제2 레이저 광원들을 포함하는 광원부;
    상기 광원부에서 출사된 제1 및 제2 레이저 빔들을 플랫 탑 레이저 빔들로 성형하도록 구성된 빔 성형부;
    상기 광원부와 상기 빔 성형부 사이에 배치되어, 상기 제1 및 제2 레이저 빔들의 광경로를 결합하고, 결합된 광경로를 적어도 2개의 광경로로 분기하여, 분기된 상기 적어도 2개의 광경로들이 상기 빔 성형부의 입사면의 서로 다른 영역으로 향하도록 구성된 제1 빔 결합/분기부를 포함하는 결합/분기부; 및
    상기 빔 성형부에서 성형된 플랫 탑 레이저 빔들을 피대상체에 시순차적으로 겹치어 결상하도록 구성된 결상 광학계;를 포함하며,
    상기 제1 빔 결합/분기부는,
    상기 제1 및 제2 레이저 광원들에서 시간차를 두고 출사되는 제1 및 제2 레이저 빔들의 광경로를 결합하는 제1 광경로 결합기; 및
    상기 제1 광경로 결합기로부터 출사된 레이저 빔을 적어도 2개의 부분 레이저 빔들로 분기하는 제1 빔 분기기;를 포함하는,
    가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    제1 및 제2 레이저 광원들에서 출사되는 제1 및 제2 레이저 빔은 제1 편광을 가지며,
    상기 제1 광경로 결합기는 상기 제1 레이저 광원의 출사단에 배치되어 상기 제1 레이저 광원에서 출사된 제1 레이저 빔의 제1 편광을 상기 제1 편광에 직교하는 제2 편광으로 변환하는 1/2파장판과, 상기 1/2파장판을 경유하여 제2 편광으로 변환된 제1 레이저 빔과 제1 편광을 갖는 제2 레이저 빔 중 어느 하나는 통과하고 어느 하나는 반사시키는 편광 빔 스플리터를 포함하는,
    가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 빔 결합/분기부는 상기 제1 빔 분기기에서 분기된 상기 적어도 2개의 광경로의 경로차를 보상하는 경로차 보상기를 포함하는,
    가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 광원부는 시간차를 두고 구동되어 펄스형 제3 및 제4 레이저 빔을 각각 출사하는 제3 및 제4 레이저 광원들을 더 포함하며,
    상기 결합/분기부는 상기 제3 및 제4 레이저 빔들의 광경로를 결합하고, 결합된 광경로를 적어도 2개의 광경로로 분기시키는 제2 빔 결합/분기부를 더 포함하는,
    가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 결합/분기부는,
    상기 제1 레이저 빔이 분기된 2개의 제1 부분 레이저 빔들이 상기 빔 성형부의 입사면의 4분면 중 서로 다른 제1 및 제2 분면으로 입사되고,
    상기 제2 레이저 빔이 분기된 2개의 제2 부분 레이저 빔들이 상기 빔 성형부의 입사면의 상기 제1 및 제2 분면으로 입사되고,
    상기 제3 레이저 빔이 분기된 2개의 제3 부분 레이저 빔들이 상기 빔 성형부의 입사면의 4분면 중 서로 다른 제3 및 제4 분면으로 입사되고,
    상기 제4 레이저 빔이 분기된 2개의 제4 부분 레이저 빔들은 상기 빔 성형부의 입사면의 상기 제3 및 제4 분면으로 입사되도록 구성된,
    가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 빔 성형부는 상기 적어도 2개의 레이저 빔들을 공간적으로 균일화시키는 균질화 광학계를 포함하는,
    가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 레이저 광원들의 구동에 부가되는 시간차를 조절함으로써, 상기 제1 레이저 빔에 의한 플랫 탑 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔에 의한 플랫 탑 레이저 빔이 시간적으로 합성되어 형성되는 펄스폭을 가변시키는,
    가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치.
  9. 동시에 구동되어 펄스형 제1 및 제3 레이저 빔을 각각 출사하는 제1 및 제3 레이저 광원들과, 상기 제1 및 제3 레이저 광원들과 시간차를 두고 동시에 구동되어 펄스형 제2 및 제4 레이저 빔을 각각 출사하는 제2 및 제4 레이저 광원들을 포함하는 광원부;
    상기 광원부에서 출사된 제1 내지 제4 레이저 빔들을 플랫 탑 레이저 빔들로 성형하도록 구성된 빔 성형부;
    상기 제1 및 제2 레이저 빔들의 광경로를 결합하도록 구성된 제1 광경로 결합기와 상기 제3 및 제4 레이저 빔들의 광경로를 결합하도록 구성된 제2 광경로 결합기를 포함하며, 상기 제1 광경로 결합기에서 결합된 광경로와 상기 제2 광경로 결합기에서 결합된 광경로가 상기 빔 성형부의 입사면의 서로 다른 영역으로 향하도록 구성되는 광경로 결합부; 및
    상기 제1 레이저 빔과 제3 레이저 빔에 의한 제1 플랫탑 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔 및 제4 레이저 빔에 의한 플랫탑 레이저 빔이 피대상체에 시순차적으로 결상하되, 상기 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔에 의한 플랫탑 레이저 빔이 상기 피대상체의 일 영역에 겹치어 결상하고, 상기 제3 레이저 빔 및 제4 레이저 빔에 의한 플랫탑 레이저 빔이 상기 피대상체의 일 영역과 다른 영역에 겹치어 결상하도록 구성된 결상 광학계;를 포함하는,
    가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 광원부는 동시에 구동되어 펄스형 제5 및 제7 레이저 빔을 각각 출사하는 제5 및 제7 레이저 광원들과, 상기 제5 및 제7 레이저 광원들과 시간차를 두고 동시에 구동되어 펄스형 제6 및 제8 레이저 빔을 각각 출사하는 제6 및 제8 레이저 광원들을 포함하며,
    상기 광경로 결합부는 상기 제5 및 제6 레이저 빔들의 광경로를 결합하도록 구성된 제3 광경로 결합기와 상기 제7 및 제8 레이저 빔들의 광경로를 결합하도록 구성된 제4 광경로 결합기를 포함하며, 상기 제3 광경로 결합기에서 결합된 광경로와 상기 제4 광경로 결합기에서 결합된 광경로가 상기 빔 성형부의 입사면의 서로 다른 영역으로 향하도록 구성되는;
    가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치.
  11. 제1 항, 제3 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피대상체가 안착되는 스테이지; 및
    상기 스테이지를 주기적으로 이동시키기 위한 구동력을 생성 및 전달하는 구동 모듈;을 더 포함하며,
    상기 피대상체에 플랫 탑 레이저 빔을 조사하여 어닐링 공정을 수행하는,
    가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치.
  12. 제1 항의 가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치의 동작 방법에 있어서,
    제1 및 제2 레이저 광원들을 시간차를 두고 구동하여 펄스형 제1 및 제2 레이저 빔을 각각 출사하도록 하여, 상기 제1 및 제2 레이저 빔들이 상기 피대상체에 시순차적으로 겹치어 결상하는,
    가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치의 동작 방법.
  13. 제1 레이저 광원을 구동하여 펄스형 제1 레이저 빔을 출사시키는 단계;
    상기 제1 레이저 빔을 적어도 2개의 제1 부분 레이저 빔들로 분기시킨 후 빔 성형부의 입사면의 서로 다른 영역에 입사시키는 단계;
    상기 빔 성형부에 입사된 적어도 2개의 제1 부분 레이저 빔들을 제1 플랫 탑 레이저 빔으로 성형하는 단계;
    제1 레이저 광원의 구동에 시간차를 두고 제2 레이저 광원을 구동하여 펄스형 제2 레이저 빔을 출사시키는 단계;
    상기 제2 레이저 빔을 적어도 2개의 제2 부분 레이저 빔들로 분기시킨 후 상기 빔 성형부의 입사면의 상기 서로 다른 영역에 입사시키는 단계;
    상기 빔 성형부에 입사된 적어도 2개의 제2 부분 레이저 빔들을 제2 플랫 탑 레이저 빔으로 성형하는 단계; 및
    상기 제1 레이저 빔에 의한 플랫 탑 레이저 빔들과 상기 제2 레이저 빔에 의한 플랫 탑 레이저 빔들을 피대상체에 시순차적으로 겹치어 결상하는 단계;를 포함하는,
    가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치의 동작 방법.
  14. 청구항 제13 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 레이저 광원들의 구동에 부가되는 시간차를 조절함으로써, 상기 제1 레이저 빔에 의한 플랫 탑 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔에 의한 플랫 탑 레이저 빔이 시간적으로 합성되어 형성되는 펄스폭을 가변시키는,
    가변 펄스폭 플랫 탑 레이저 장치의 동작 방법.
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