KR102555436B1 - 레이저 가공 장치 및 그 가공 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치는, 레이저빔을 방출하는 레이저빔 발생부, 레이저빔을 복수의 레이저빔으로 분할하는 렌즈부 및 복수의 레이저빔을 집광하는 집광부를 포함하고, 렌즈부는 제1 중심 축을 갖는 제1 렌즈 어레이 및 제2 중심 축을 갖는 제2 렌즈 어레이를 포함하며, 제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 제1 중심 축과 제2 중심 축이 어긋나도록 왕복 운동한다.

Description

레이저 가공 장치 및 그 가공 방법{LASER PROCESSING APPARATUS AND METHOD FOR MENUFACTURING THE SAME}
본 발명은 레이저 가공 장치 및 그 가공 방법에 관한 것이다.
레이저 가공은 레이저빔을 한 점에 집중시켜 고도의 에너지 밀도로 가공하는 방법을 말한다. 레이저 가공 장치란 레이저 광선을 사용하여 재료의 절단, 패턴 형성, 용접 등의 가공을 하는 장치를 말한다.
최근, 레이저 어닐링 장치를 이용하여, 박막 트랜지스터에 적용되는 반도체막을 생성하고 있다. 반도체막은 레이저 어닐링을 통해 결정화될 수 있다. 레이저 어닐링을 통해 생성된 반도체막은 높은 이동도를 가질 수 있으며, 이에 따라 표시 장치에 포함될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 적어도 두 개의 렌즈 어레이의 중심 축을 어긋나도록 왕복 운동 시킴으로써, 간섭 무늬 발생을 저감시킬 있는 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법을 제공한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저빔을 방출하는 레이저빔 발생부; 상기 레이저빔을 복수의 레이저빔으로 분할하는 렌즈부; 및 상기 복수의 레이저빔을 집광하는 집광부를 포함하고, 상기 렌즈부는 제1 중심 축을 갖는 제1 렌즈 어레이 및 제2 중심 축을 갖는 제2 렌즈 어레이를 포함하며, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 상기 제1 중심 축과 상기 제2 중심 축이 어긋나도록 왕복 운동한다.
또한, 상기 렌즈부는 상기 레이저빔을 상기 레이저빔의 장축 방향으로 분할하고, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 상기 장축 방향을 따라 왕복 운동할 수 있다.
또한, 상기 렌즈부는 장축용 호모지나이저일 수 있다.
또한, 상기 렌즈부는 상기 레이저빔을 상기 레이저빔의 단축 방향으로 분할하고, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 상기 단축 방향을 따라 왕복 운동할 수 있다.
또한, 상기 렌즈부는 단축용 호모지나이저일 수 있다.
또한, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이는 원통형 마이크로렌즈 어레이일 수 있다.
또한, 상기 제1 중심 축과 상기 제2 중심 축 사이의 거리는 5 내지 200um일 수 있다.
또한, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나의 운동 주파수는 0Hz 초과 300Hz일 수 있다.
또한, 상기 집광부에 의해 집광된 레이저빔의 에너지 강도 분포는 플랫 탑(flat top) 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이는 상기 제1 중심 축 및 상기 제2 중심 축이 서로 어긋난 상태로 동일한 방향 및 동일한 운동 주파수로 왕복 운동할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치는, 레이저빔을 방출하는 레이저빔 발생부; 및 상기 레이저빔의 에너지 강도 분포를 평탄화시키는 렌즈부를 포함하고, 상기 렌즈부는 제1 렌즈 어레이 및 상기 제1 렌즈 어레이와 소정의 거리 이격되는 제2 렌즈 어레이를 포함하며, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이의 중심 축이 어긋나도록 왕복 운동한다.
또한, 상기 렌즈부는 상기 레이저빔의 장축 방향으로 상기 레이저빔의 에너지 강도를 평탄화시키며, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 상기 장축 방향을 따라 왕복 운동할 수 있다.
또한, 상기 렌즈부는 상기 레이저빔의 단축 방향으로 상기 레이저빔의 에너지 강도를 평탄화시키며, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 상기 단축 방향을 따라 왕복 운동할 수 있다.
또한, 상기 렌즈부로부터 방출되는 레이저빔을 가공 대상물에 집광하는 집광부를 더 포함하고, 상기 집광부는 상기 렌즈부로부터 방출되는 레이저빔을 상기 레이저빔의 장축 방향 또는 단축 방향으로 중첩시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나의 운동 주파수는 0Hz 초과 300Hz일 수 있다.
또한, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이는 원통형 마이크로렌즈 어레이일 수 있다.
또한, 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이의 중심 축이 어긋나는 정도는 5um 내지 200um일 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 방법은 레이저빔을 렌즈부로 방출하는 단계; 상기 렌즈부가 상기 레이저빔을 복수의 레이저빔으로 분할하는 단계; 및 상기 복수의 레이저빔을 집광하는 단계를 포함하고, 상기 렌즈부는 제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 중심 축이 서로 어긋나도록 왕복 운동한다.
또한, 상기 렌즈부는 상기 레이저빔을 상기 레이저빔의 장축 방향으로 분할하고, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 상기 장축 방향을 따라 왕복 운동할 수 있다.
또한, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이는 원통형 마이크로렌즈 어레이이며, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나의 운동 주파수는 0Hz 초과 300Hz일 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 적어도 두 개의 렌즈 어레이의 중심 축을 어긋나도록 왕복 운동 시킴으로써, 간섭 무늬 발생을 저감시킬 수 있다.
또한, 두 개의 렌즈 어레이 중 적어도 하나를 레이저빔의 장축 방향을 따라 왕복 운동시킴으로써, 세로 줄무늬 현상을 저감시킬 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 레이저 가공 장치의 일 실시예를 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 5는 도 2에 도시한 제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레이의 왕복 운동의 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 8은 도 2에 도시한 제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레이의 왕복 운동에 따른 레이저빔의 에너지 강도 분포를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 11은 도 10에 도시한 레이저 가공 장치의 일 실시예를 보다 상세히 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "위(on)", "상(on)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위"에 놓여질 수 있다. 또한 도면을 기준으로 다른 소자의 "좌측"에 위치하는 것으로 기술된 소자는 시점에 따라 다른 소자의 "우측"에 위치할 수도 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이 경우 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.
명세서 전체를 통하여 동일하거나 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치(10)는 레이저빔 발생부(100), 렌즈부(200) 및 집광부(300)를 포함할 수 있다.
레이저빔 발생부(100)는 레이저빔(L1)을 렌즈부(200)로 방출한다. 레이저빔 발생부(100)는 연속적이거나 또는 불연속적으로 레이저빔(L1)을 방출할 수 있다. 여기서, 레이저빔(L1)은 단일 빔이거나, 다중 빔일 수 있다. 이하, 레이저빔(L1)이 단일 빔인 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 레이저빔(L1)의 단면은 일 실시예로 직사각형 형상일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 레이저빔(L1)의 단면은 원형 또는 점형일 수도 있다.
렌즈부(200)는 적어도 두 개의 렌즈부를 포함할 수 있다. 이하, 렌즈부(200)가 제1 렌즈부(210) 및 제2 렌즈부(220)를 포함하는 것으로 예를 들어 설명하기로 한다.
렌즈부(200)는 입사되는 레이저빔(L1)을 복수의 레이저빔(L2)으로 분할할 수 있다. 보다 상세하게는, 제1 렌즈부(210) 및 제2 렌즈부(220)는 일 실시예로 레이저빔(L1)의 장축 방향에 대응하는 방향으로 레이저빔(L1)을 분할할 수 있다. 즉, 렌즈부(200)는 일 실시예로 장축용 호모지나이저(homogenizer)일 수 있다.
또는, 렌즈부(220)는 다른 실시예로 레이저빔(L1)의 단축 방향에 대응하는 방향으로 레이저빔(L1)을 분할할 수 있다. 이 경우, 렌즈부(200)는 일 실시예로 단축용 호모지나이저일 수 있다. 이에 대해서는 도 10 및 도 11을 참조하여 후술하기로 한다.
제1 렌즈부(210) 및 제2 렌즈부(220)는 서로 중심 축이 어긋날 수 있다. 또한, 제1 렌즈부(210) 및 제2 렌즈부(220)는 소정의 방향으로 움직일 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
렌즈부(200)에 의해 분할된 복수의 레이저빔(L2)은 집광부(300)에 제공될 수 있다. 집광부(300)는 복수의 레이저빔(L2)을 집광시킬 수 있다. 보다 상세하게는, 집광부(300)는 장축 방향으로 분할된 복수의 레이저빔(L2)을 가공 대상물(410)의 표면에서 장축 방향으로 중첩시킬 수 있다. 즉, 집광부(300)는 일 실시예로 장축용 집광 광학계일 수 있다.
집광부(300)에 의해 집광된 복수의 레이저빔(L3)은 스테이지(400) 상에 배치된 가공 대상물(410)로 제공될 수 있다. 가공 대상물(410)의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 일 실시예로, 가공 대상물(410)은 기판(411)의 표면에 형성된 반도체막(412)일 수 있다. 반도체막(412)은 비정질 물질로 형성될 수 있으며, 일 실시예로, a-Si막, 다결정 실리콘 또는 비정질 구조를 갖는 화합물 반도체막 등일 수 있다. 이 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 반도체막에 레이저 어닐링(anelaing)을 수행하는 레이저 어닐링 장치일 수 있다. 레이저 어닐링을 적용하여 형성된 반도체막은 높은 전하 이동도를 가짐으로써, 표시 장치에 포함되는 박막 트랜지스터에 적용될 수 있다.
가공 대상물(410)은 스테이지(400)에 안착될 수 있다. 스테이지 이동부(430)는 스테이지(400)를 소정의 방향으로 움직일 수 있다. 스테이지(400)는 연속적으로 이동되거나, 또는 단속적으로 이동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 제어부(500)를 더 포함할 수 있다. 제어부(500)는 레이저빔 발생부(100), 렌즈부(200) 및 스테이지 이동부(430)의 전체적인 동작을 제어할 수 있다.
보다 상세하게는, 레이저빔 발생부(100)는 제1 제어 신호(CONT1)를 제공받아, 레이저빔(L1)의 출력, 형태 또는 파장 등을 조절할 수 있다. 렌즈부(200)는 제2 제어 신호(CONT2)를 제공받아, 제1 렌즈부(210) 및 제2 렌즈부(220)의 중심 축이 어긋날 수 있도록 적어도 하나를 소정의 방향으로 움직일 수 있다. 또한, 스테이지 이동부(430)는 제3 제어 신호(CONT3)를 제공받아, 가공 대상물(410)을 지정된 방향으로 이동시킬 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 레이저 가공 장치의 일 실시예를 보다 상세히 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 보다 상세히 설명하기로 한다. 다만, 도 1에서 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
레이저빔 발생부(100)는 적어도 하나의 레이저 광원(110)을 포함할 수 있다. 레이저 광원(110)은 일 실시예로 약 2 내지 4kHz의 펄스 주파수로 발진될 수 있다. 레이저 광원(110)의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 가공 대상물(410)의 종류에 따라 달라질 수 있다.
렌즈부(200)는 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212)를 포함할 수 있다. 제1 렌즈 어레이(211)는 제1 렌즈부(210, 도 1 참조)에 포함될 수 있으며, 제2 렌즈 어레이(212)는 제2 렌즈부(220, 도 2 참조)에 포함될 수 있다.
제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212)는 레이저빔(L1)의 장축 방향에 대응하는 방향으로 레이저빔(L1)을 복수의 레이저빔(L2)으로 분할할 수 있다. 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212)는 일 실시예로 장축용 원통형 마이크로 렌즈 어레이(cylindrical microlens array)일 수 있다.
제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212)는 레이저빔(L1)의 광축 방향을 기준으로 소정의 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212)의 초점 거리는 각 렌즈 어레이의 초점 거리, 렌즈 어레이 간의 이격 거리 및 레이저빔(L1)의 광축 방향의 거리 등에 의해 결정될 수 있다. 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212)는 중심 축이 서로 어긋나도록 움직일 수 있다.
집광부(300)는 적어도 하나의 집광 렌즈(310)를 포함할 수 있다. 집광 렌즈(310)는 입사되는 복수의 레이저빔(L2)을 집광시켜 가공 대상물(410)에 제공할 수 있다. 집광 렌즈(310)는 일 실시예로 장축용 집광 렌즈일 수 있다. 복수의 레이저빔(L2)은 집광 렌즈(310)에 의해 가공 대상물(410)의 표면에서 장축 방향을 따라 소정의 형상을 갖는 레이저빔(L3)으로 결상될 수 있다.
도 2 내지 도 5를 참조하여, 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212)의 왕복 운동에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 5는 도 2에 도시한 제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레이의 왕복 운동의 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 제1 렌즈 어레이(211)는 제1 중심 축(C1)을 가질 수 있다. 제2 렌즈 어레이(212)는 제2 중심 축(C2)을 가질 수 있다. 렌즈부(200)는 렌즈 어레이 이동장치(도면 미도시)를 더 포함할 수 있다.
렌즈 어레이 이동장치는 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212) 중 적어도 하나를 레이저빔(L1)의 장축 방향에 대응되는 방향으로 왕복 운동시킬 수 있다. 렌즈 어레이 이동 장치는 일 실시예로 전동 액추에이터 또는 진동 소자일 수 있다. 렌즈 어레이 이동 장치는 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212) 중 적어도 하나를 일정한 주기로 왕복 운동시킬 수 있다.
도 3a를 참조하면, 제1 렌즈 어레이(211)는 움직이지 않는다. 제1 렌즈 어레이(211)의 제1 중심 축(C1)은 레이저빔의 광축(Lx)과 동일 선상에 위치할 수 있다. 이에 반해, 제2 렌즈 어레이(212)는 제1 방향(Y1)을 따라 왕복 운동할 수 있다. 제2 렌즈 어레이(212)의 제2 중심 축(C2)은 레이저빔의 광축(Lx), 즉 제1 중심 축(C1)으로부터 소정의 거리로 이격될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 제2 렌즈 어레이(212)는 제1 방향(Y1, 도 3a 참조)에 대향되는 제2 방향(Y2)을 따라 왕북 운동할 수 있다. 제2 렌즈 어레이(212)의 제2 중심 축(C2)은 레이저빔의 광축(Lx), 즉 제1 중심 축(C1)으로부터 소정의 거리로 이격될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 제2 렌즈 어레이(212)는 움직이지 않는다. 제2 렌즈 어레이(212)의 제2 중심 축(C2)은 레이저빔의 광축(Lx)과 동일 선상에 위치할 수 있다. 이에 반해, 제1 렌즈 어레이(211)는 제1 방향(Y1)을 따라 왕복 운동할 수 있다. 제1 렌즈 어레이(211)의 제1 중심 축(C1)은 레이저빔의 광축(Lx), 즉 제2 중심 축(C2)으로부터 소정의 거리로 이격될 수 있다.
도 4b4b 참조하면, 제1 렌즈 어레이(211)는 제2 방향(Y2)을 따라 왕복 운동할 수 있다. 제1 렌즈 어레이(211)의 제1 중심 축(C1)은 레이저빔의 광축(Lx), 즉 제2 중심 축(C2)으로부터 소정의 거리로 이격될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212) 모두가 제1 방향(Y1) 또는 제2 방향(Y2)을 따라 왕복 운동할 수 있다.
여기서, 제1 방향(Y1) 및 제2 방향(Y2)은 모두 레이저빔의 광축(Lx)의 장축 방향에 해당된다. 제1 중심 축(C1)과 제2 중심 축(C2) 사이의 거리(SL)는 일 실시예로, 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212)의 렌즈 폭보다 작을 수 있다. 도 3 내지 도 5에 도시한 제1 중심 축(C1)과 제2 중심 축(C2) 사이의 거리(SL)는 일 실시예로 약 5 내지 200um일 수 있다.
다만, 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212)의 왕복 운동 형태는 도 3 내지 도 5에 도시한 것으로 제한되지 않는다. 즉, 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212)의 중심 축이 어긋난 채로, 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212) 각각이 동일한 방향 및 동일한 속도로 움직일 수도 있다.
제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212)가 왕복 운동을 함에 따라, 집광 렌즈(310)에 입사되는 복수의 레이저빔(L2)의 입사각 및 강도는 지속적으로 변화될 수 있다. 이에 따라, 가공 대상물(410)의 표면에서의 장축 방향의 레이저빔(L3)의 균일성이 변화될 수 있다. 즉, 집광 렌즈(310)는 복수의 레이저빔(L2)을 장축 방향으로 가공 대상물(410)의 표면에 중첩시킬 수 있다.
이에 따라, 가공 대상물(410)의 표면에 생성되는 세로 줄무늬 현상이 저감될 수 있다. 여기서, 세로 줄무늬는 레이저빔(L1)의 장축 방향에 수직인 줄무늬를 말한다.
제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212) 중 적어도 하나의 왕복 운동 주파수는 약 0 내지 300Hz일 수 있다. 상기 왕복 운동 주파수를 고속화시키는 경우, 세로 줄무늬 현상뿐만 아니라, 가로 줄무늬 현상도 저감될 수 있다. 여기서, 세로 줄무늬는 레이저빔(L1)의 장축 방향과 평행한 줄무늬를 말한다.
도 6 내지 도 8을 참조하여, 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212)의 왕복 운동과 레이저빔의 에너지 강도의 관계에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 6 내지 도 8은 도 2에 도시한 제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레이의 왕복 운동에 따른 레이저빔의 에너지 강도 분포를 나타낸 도면이다. 도 6 내지 도 8에 도시된 그래프의 가로 축은 레이저빔의 장축 방향의 위치, 세로 축은 레이저빔의 에너지 강도를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 레이저 광원(110)으로부터 방출된 레이저빔(L1)의 레이저 강도 분포는 포물선 형상일 수 있다. 집광 렌즈(310)에 의해 집광된 레이저빔(L3)의 레이저 강도 분포는 제1 렌즈 어레이(211), 제2 렌즈 어레이(212) 및 집광 렌즈(310)에 의해 평탄화될 수 있다. 다만, 통상적으로 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212)의 렌즈 표면에서의 산란광에 의해 간섭이 발생될 수 있으며, 이러한 간섭은 레이저빔(L3)의 에너지 강도 높낮이가 격렬한 간섭 무늬를 야기시킬 수 있다. 이는 곧 전술한 세로 줄무늬 현상을 유발할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212) 중 적어도 하나가 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212)의 중심 축이 서로 어긋나도록 왕복 운동을 할 수 있다. 이에 따라, 집광 렌즈(310)에 입사되는 복수의 레이저빔(L2)의 입사각 및 강도는 지속적으로 변화될 수 있다. 즉, 가공 대상물(410)의 표면에서의 장축 방향의 레이저빔(L3)의 균일성이 변화될 수 있다.
또한, 레이저빔(L3)의 에너지 강도의 위상을 소정의 거리(LB)만큼 이동시킬 수 있다. 이는 곧, 간섭 무늬가 존재하더라도, 이를 충분히 분산시킬 수 있는 것을 의미한다. 여기서, 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212) 의 중심 축이 어긋나는 정도가 약 5 내지 200um일 때, 에너지 강도의 위상 이동 거리(LB)는 약 3mm 내지 30mm일 수 있다.
도 8을 참조하면, 레이저빔(L3)의 에너지 강도는 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212) 중 적어도 하나가 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212)의 중심 축이 서로 어긋나도록 왕복 운동을 함에 따라, 보다 더 평탄화될 수 있다. 즉, 레이저빔(L3)의 에너지 강도 분포는 소정의 크기를 갖는 플랫 탑(flat top) 형상일 수 있다. 여기서, 플랫 탑 형상의 크기(size)는 약 100 내지 1500mm일 수 있다.
가공 대상물(410)은 에너지 강도가 평균화된 레이저빔(L3)을 제공받을 수 있다. 이에 따라, 세로 줄무늬 현상을 저감시킬 수 있다. 특히, 반도체막(412)은 레이저빔(L3)이 조사되는 전체 영역에서 균일한 결정립 특성을 가질 수 있다.
도면에는 도시하지 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 광원(110)과 렌즈부(200) 사이의 경로 상에 위치하는 빔 확장부를 더 포함할 수 있다. 빔 확장부는 레이저 광원(110)으로부터 방출된 레이저빔(L1)의 지름을 확대시켜, 렌즈부(200)로 제공할 수 있다.
일 실시예로, 빔 확장부는 레이저빔(L1)의 지름을 장축 방향으로 확대시킬 수 있다. 다른 실시예로, 빔 확장부는 레이저빔(L1)의 지름을 단축 방향으로 확대시킬 수 있다. 빔 확장부는 장축 방향과 단축 방향의 확대율을 각각 설정할 수 있다. 이를 위해, 빔 확장부는 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 원통형 렌즈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저빔(L1)의 경로, 렌즈부(200)로부터 방출된 복수의 레이저빔(L2) 및 집광부(300)로부터 집광된 레이저빔(L3) 중 적어도 하나의 경로에 레이저빔의 경로를 변환시키는 경로 변환부를 더 포함할 수 있다. 경로 변환부는 적어도 하나의 반사 미러를 포함할 수 있다. 반사 미러의 개수는 구성의 배치 관계를 고려하여 결정될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 나타낸 도면이다. 도 1 내지 도 8에서 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 렌즈 이동부(320)를 더 포함할 수 있다. 렌즈 이동부(320)는 제1 방향(d1) 또는 제2 방향(d2)으로 집광 렌즈(310)를 왕복 운동시킬 수 있다. 여기서, 왕복 운동의 방향은 제1 렌즈 어레이(211) 및 제2 렌즈 어레이(212)의 운동 방향에 따라 결정될 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다. 도 11은 도 10에 도시한 레이저 가공 장치의 일 실시예를 보다 상세히 나타낸 도면이다. 도 11에서는 레이저빔의 장축 방향으로 작용하는 구성은 점선으로 도시하기로 한다. 도 1 내지 도 9에서 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하, 도면 부호 200을 장축 렌즈부(200)로 지칭하기로 한다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 경로 변환부(600)는 레이저빔(L)의 경로를 변환시킬 수 있다. 경로 변환부(600)는 적어도 하나의 반사 미러를 포함할 수 있다. 반사 미러의 개수는 구성의 배치 관계를 고려하여 결정될 수 있다. 경로 변환부(600)의 위치는 도 10에 도시된 것으로 제한되지 않는다.
단축 렌즈부(700)는 제3 렌즈부(710) 및 제4 렌즈부(720)를 포함할 수 있다. 즉, 단축 렌즈부(700)는 단축용 호모지나이저일 수 있다. 제3 렌즈부(710)는 제3 렌즈 어레이(711)를 포함할 수 있으며, 제4 렌즈부(720)는 제4 렌즈 어레이(712)를 포함할 수 있다. 제3 렌즈 어레이(711) 및 제4 렌즈 어레이(712)는 레이저빔(L)의 단축 방향에 대응하는 방향으로 레이저빔(L)을 복수로 분할할 수 있다. 제3 렌즈 어레이(711) 및 제4 렌즈 어레이(712)는 일 실시예로 단축용 원통형 마이크로 렌즈 어레이일 수 있다.
제3 렌즈 어레이(711) 및 제4 렌즈 어레이(712)는 레이저빔(L)의 광축 방향을 기준으로 소정의 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 제3 렌즈 어레이(711) 및 제4 렌즈 어레이(712)는 중심 축이 서로 어긋나도록 왕복 운동시킬 수 있다.
보다 상세하게는, 단축 렌즈부(700)는 제어부(500)로부터 제4 제어 신호(CONT4)를 제공받아, 제3 렌즈 어레이(711) 및 제4 렌즈 어레이(712) 중 적어도 하나를 왕복 운동시킬 수 있다.
집광부(300)는 장축용 집광 렌즈(341) 및 단축용 집광 렌즈(331)를 포함할 수 있다. 단축용 집광 렌즈(331)는 입사되는 복수의 레이저빔을 집광시켜 가공 대상물(410)에 제공할 수 있다. 즉, 복수의 레이저빔은 집광 렌즈(310)에 의해 가공 대상물(410)의 표면에서 단축 방향을 따라 소정의 형상을 갖는 레이저빔으로 결상될 수 있다.
즉, 제3 렌즈 어레이(711) 및 제4 렌즈 어레이(712)가 왕복 운동을 함에 따라, 단축용 집광 렌즈(331)에 입사되는 복수의 레이저빔의 입사각 및 강도는 지속적으로 변화될 수 있다. 이에 따라, 가공 대상물(410)의 표면에서의 단축 방향의 레이저빔의 균일성이 변화될 수 있다. 따라서, 가공 대상물(410)의 표면에 생성되는 가로 줄무늬 현상이 저감될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 레이저 광원;
200: 렌즈부;
211: 제1 렌즈 어레이;
212: 제2 렌즈 어레이;
300: 집광부;
310: 집광 렌즈;
400: 스테이지;
410: 가공 대상물;

Claims (20)

  1. 레이저빔을 방출하는 레이저빔 발생부;
    상기 레이저빔을 복수의 레이저빔으로 분할하는 렌즈부; 및
    상기 복수의 레이저빔을 집광하는 집광부를 포함하고,
    상기 렌즈부는 제1 중심 축을 갖는 제1 렌즈 어레이 및 제2 중심 축을 갖는 제2 렌즈 어레이를 포함하며,
    상기 제1 렌즈 어레이와 상기 제2 렌즈 어레이는 서로 인접하여 위치하고,
    상기 제1 렌즈 어레이와 상기 제2 렌즈 어레이 사이에는 어떠한 집광렌즈도 위치하지 않으며,
    상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 상기 제1 중심 축과 상기 제2 중심 축이 어긋나도록 왕복 운동하는 레이저 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈부는 상기 레이저빔을 상기 레이저빔의 장축 방향으로 분할하고,
    상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 상기 장축 방향을 따라 왕복 운동하는 레이저 가공 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 렌즈부는 장축용 호모지나이저인 레이저 가공 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈부는 상기 레이저빔을 상기 레이저빔의 단축 방향으로 분할하고,
    상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 상기 단축 방향을 따라 왕복 운동하는 레이저 가공 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 렌즈부는 단축용 호모지나이저인 레이저 가공 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이는 원통형 마이크로렌즈 어레이인 레이저 가공 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 중심 축과 상기 제2 중심 축 사이의 거리는 5um 내지 200um인 레이저 가공 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나의 운동 주파수는 0Hz 초과 300Hz인 레이저 가공 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 집광부에 의해 집광된 레이저빔의 에너지 강도 분포는 플랫 탑(flat top) 형상을 갖는 레이저 가공 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이는 상기 제1 중심 축 및 상기 제2 중심 축이 서로 어긋난 상태로 동일한 방향 및 동일한 운동 주파수로 왕복 운동하는 레이저 가공 장치.
  11. 레이저빔을 방출하는 레이저빔 발생부; 및
    상기 레이저빔의 에너지 강도 분포를 평탄화시키는 렌즈부를 포함하고,
    상기 렌즈부는 제1 렌즈 어레이 및 상기 제1 렌즈 어레이와 소정의 거리 이격되는 제2 렌즈 어레이를 포함하며,
    상기 제1 렌즈 어레이와 상기 제2 렌즈 어레이는 서로 인접하여 위치하고,
    상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이의 중심 축이 어긋나도록 왕복 운동하는 레이저 가공 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 렌즈부는 상기 레이저빔의 장축 방향으로 상기 레이저빔의 에너지 강도를 평탄화시키며, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 상기 장축 방향을 따라 왕복 운동하는 레이저 가공 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 렌즈부는 상기 레이저빔의 단축 방향으로 상기 레이저빔의 에너지 강도를 평탄화시키며, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 상기 단축 방향을 따라 왕복 운동하는 레이저 가공 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 렌즈부로부터 방출되는 레이저빔을 가공 대상물에 집광하는 집광부를 더 포함하고,
    상기 집광부는 상기 렌즈부로부터 방출되는 레이저빔을 상기 레이저빔의 장축 방향 또는 단축 방향으로 중첩시키는 레이저 가공 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나의 운동 주파수는 0Hz 초과 300Hz인 레이저 가공 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이는 원통형 마이크로렌즈 어레이인 레이저 가공 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이의 중심 축이 어긋나는 정도는 5um 내지 200um인 레이저 가공 장치.
  18. 레이저빔을 렌즈부로 방출하는 단계;
    상기 렌즈부가 상기 레이저빔을 복수의 레이저빔으로 분할하는 단계; 및
    상기 복수의 레이저빔을 집광하는 단계를 포함하고,
    상기 렌즈부는 제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레이를 포함하고,
    상기 제1 렌즈 어레이와 상기 제2 렌즈 어레이는 서로 인접하여 위치하고,
    상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 중심 축이 서로 어긋나도록 왕복 운동하는 레이저 가공 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 렌즈부는 상기 레이저빔을 상기 레이저빔의 장축 방향으로 분할하고,
    상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 상기 장축 방향을 따라 왕복 운동하는 레이저 가공 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이는 원통형 마이크로렌즈 어레이이며, 상기 제1 렌즈 어레이 및 상기 제2 렌즈 어레이 중 적어도 하나의 운동 주파수는 0Hz 초과 300Hz인 레이저 가공 방법.
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