KR102590198B1 - 대물 렌즈를 포커싱하기 위한 포커싱 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 빔을 이용한 물체의 선형 조명을 위해 대물 렌즈를 포커싱하기 위한 포커싱 장치 및 방법에 관한 것으로, 대물 렌즈(16)를 수용하기 위한 렌즈 홀더(14)가 이동 가능하게 배치된 베이스 바디(12)를 포함하고, 상기 렌즈 홀더(14)의 이동을 위해 적어도 하나의 선형 가이드(22, 24, 26)를 가진 2개의 드라이브(18, 20)가 제공되고, 적어도 하나의 경로 측정 시스템(28, 30)이 제공된다.

Description

대물 렌즈를 포커싱하기 위한 포커싱 장치 및 방법{FOCUSING DEVICE AND METHOD FOR FOCUSING OBJECTIVE LENS}

본 발명은 대물 렌즈를 수용하기 위한 렌즈 홀더가 이동 가능하게 배치된 베이스 바디, 이동 시 렌즈 홀더를 안내하기 위한 적어도 하나의 선형 가이드 및 적어도 하나의 경로 측정 시스템을 포함하며, 레이저 빔을 이용한 물체의 선형 조명을 위해 대물 렌즈를 포커싱하기 위한 포커싱 장치에 관한 것이다.

본 발명은 또한 레이저 빔을 이용한 물체의 선형 조명을 위해 대물 렌즈를 포커싱하기 위한 방법에 관한 것이다.

WO 2018/019374 A1호에 레이저 빔을 이용한 물체의 선형 조명을 위해 작업 평면에 레이저 라인을 제공하기 위한 레이저 시스템이 공개되어 있다. 이 경우 레이저 라인은 제 1 방향으로 상당한 길이에 걸쳐 연장되고, 이에 대해 수직인 제 2 방향으로는 매우 작은 범위에 걸쳐서만 연장된다. 레이저 시스템은 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 소스 및 연장된 레이저 빔을 레이저 라인에 포커싱하기 위한 포커싱 유닛을 포함한다.

레이저 빔을 이용한 물체의 선형 조명을 위한 다른 시스템은 DE 10 2018 200 078 A1호에 공개되어 있다. 이 경우에도 레이저 빔을 이용한 물체의 선형 조명을 위해 적어도 하나의 대물 렌즈가 제공되고, 상기 대물 렌즈는 포커싱 장치에 연결된다.

이러한 레이저 시스템의 예시적인 응용예는 예를 들어 TFT 디스플레이에서 유리 기판에 증착된 산화규소층의 재결정화, 예를 들어 태양 전지의 레이저 보조 도핑 및, 마이크로전자 장치 제조 시의 레이저 리프트-오프 공정이다.

선형 포커스 시스템에서 대물 렌즈를 조정하기 위해, 일반적으로 길이 경로 측정 시스템을 가진 중앙 스핀들 드라이브와 조합하여 2개의 선형 가이드가 사용된다. 경로 측정 시스템은 일반적으로 수 나노미터를 분해할 수 있으므로, 대물 렌즈의 중심 위치가 매우 정확하게 결정될 수 있다. 위치가 매우 중요한 이유는, 이러한 선형 포커스 시스템의 작업 범위가 매우 제한되어 있고 피사계 심도는 예를 들어 약 ±250㎛의 범위에 있기 때문이다. 전체 폭에 걸쳐 동일한 공정 결과를 달성하고 최대 피사계 심도 범위를 제공하기 위해, 라인의 포커스는 가공할 물체의 조명 평면에 대해 가능한 한 평행해야 한다.

그러나 선형 가이드는 절대적으로 직선이 아니므로, 물체의 이동 시 광학 장치는 이상적인 라인에서 벗어난 궤도를 따라 이동한다. 이로 인해 현재 최대 1.5m의 레이저 빔의 일반적인 라인 길이에서, 가공할 물체에 대해 광학 장치의 단부들은 중심과는 다른 간격을 가질 수 있고, 즉, 연장된 레이저 빔의 포커스 라인은 물체에 대해 각이 진 상태로(angular) 연장된다. 포커스 라인이 물체에 대해 평행하게 연장되지 않으므로, 물체 폭에 걸친 가공이 불균일해진다.

이와 관련해서, 본 발명의 과제는 전술한 문제점들을 줄이는, 레이저 빔을 이용한 물체의 선형 조명을 위해 대물 렌즈를 포커싱하기 위한 개선된 포커싱 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 특히, 레이저 빔의 포커스 라인과 가공할 물체 사이의 개선된 평행도가 가능해져야 한다.

상기 과제는 전술한 방식에 따른 포커싱 장치에서 본 발명에 따라, 렌즈 홀더의 이동을 위해 적어도 2개의 드라이브가 제공됨으로써 해결된다.

본 발명의 과제는 또한 대물 렌즈를 수용하기 위한 렌즈 홀더가 포커싱을 위해 베이스 바디 상에서 적어도 하나의 선형 가이드 및 적어도 2개의 드라이브를 이용해서 이동되고, 이동 경로의 모니터링을 위해 적어도 하나의 경로 측정 시스템이 사용되는, 레이저 빔을 이용한 물체의 선형 조명을 위해 대물 렌즈를 포커싱하기 위한 방법에 의해 해결된다.

본 발명의 과제는 이러한 방식으로 완전히 해결된다.

본 발명에 따라 렌즈 홀더의 이동을 위해 적어도 2개의 드라이브가 제공되기 때문에, 포커싱 경로를 따라 선형성의 편차가 검출되면, 보정을 위해 2개의 드라이브 중 하나가 관련 제어 장치에 의해 약간 이동될 수 있다. 2개의 드라이브의 비동기식 이동으로도 동일한 결과가 달성될 수 있다.

이로써 선형성 오류가 보상될 수 있다.

본 발명의 추가 실시예에 따르면, 적어도 2개, 바람직하게는 3개의 선형 가이드가 제공된다.

결과적으로 개선된 선형성이 달성될 수 있다.

본 발명의 추가 실시예에 따르면 2개의 외부 선형 가이드가 제공되고, 상기 가이드는 대물 렌즈의 길이 방향으로 볼 때, 대물 렌즈의 단부들로부터 최대 25%, 바람직하게는 최대 15%의 거리에 배치된다.

이러한 방식으로 선형 가이드는 렌즈 단부들에 최대한 가깝게 이동되므로, 포커스 라인의 긴 길이로 인해 더 큰 각도 편차를 야기할 수 있는 선형성과의 편차가 최소화될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 드라이브 및 적어도 하나의 경로 측정 시스템에 연결된 제어 장치가 제공된다.

바람직하게 적어도 2개의 경로 측정 시스템이 제공되고, 상기 경로 측정 시스템은 더 바람직하게는 대물 렌즈로부터 (대물 렌즈의 길이 방향으로 볼 때 대물 렌즈의 단부들로부터) 가능한 가장 작은 거리에 배치된다.

따라서 대물 렌즈의 단부들에서 가장 클 수 있는 편차들이 높은 정밀도로 확실하게 검출될 수 있다.

제어 장치는 포커싱을 위해 기본적으로 2개의 드라이브의 동기식 이동을 위해 구성된다.

이동 중에 선형성 오류가 검출되면, 제어 장치는 선형성 오류를 보정하기 위해 2개의 드라이브 중 하나를 약간 이동시킬 수 있다. 이때 발생하는 장력은 어느 정도 감수될 수 있다.

2개의 드라이브의 비동기식 이동에 의해 동일한 결과가 달성될 수 있다.

물론, 본 발명은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 각각 제시된 조합으로뿐만 아니라 다른 조합으로 또는 그 자체로도 이용될 수 있다.

본 발명의 추가 특징 및 장점들은 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 다음 설명에 제시된다.

도 1은 본 발명에 따른 포커싱 장치를 도시한 사시도.
도 2는 뒷면에서 본 도 1에 따른 포커싱 장치를 도시한 도면.
도 3은 대물 렌즈의 하부면에서 본 도 1에 따른 포커싱 장치를 도시한 도면.

레이저 빔의 선형 조명을 위해 대물 렌즈를 포커싱하기 위한 본 발명에 따른 포커싱 장치가 도 1에 사시도로 도시되어 있고, 전체가 도면부호 10으로 표시된다.

여기에서는 WO 2018/019374 A1호에 공개된 방식에 따른 레이저 시스템에서 사용하기 위한 포커싱 장치에 관한 것이다. 이는 참조를 통해 전체가 포함된다.

WO 2018/019374 A1호에 따르면 레이저 시스템은, 물체의 선형 조명을 위해 작업 평면에 선형의 레이저 빔을 제공하도록 형성된다. 레이저 라인은 제 1 방향으로 실질적으로 현재는 약 1.5m에 이르는 상당한 길이에 걸쳐 연장되는 한편, 이에 대해 수직인 방향으로의 범위는 매우 작다. 이 경우 연장된 레이저 라인을 형성하기 위해 적절한 광학 장치와 균일화- 및 포커싱 유닛에 의해 레이저 빔이 구현된다. 이러한 선형 포커스 시스템의 피사계 심도는 예를 들어 약 ±250㎛의 매우 낮은 값에 불과하다. 현재는 최대 약 1.5m일 수 있는 상당한 길이의 레이저 라인 때문에, 포커싱 장치의 이동 시 선형성 편차가 매우 작더라도 가공할 물체가 위치하는 작업 평면에 대한 소정의 평행도와 포커스 라인 사이에 상당한 편차가 발생한다.

물체의 선형 조명을 위해 작업 평면에서 포커싱되는 레이저 라인을 생성하기 위한 레이저 시스템의 대안적인 실시예에서도, DE 10 2018 200 078 A1호에 따르면, 포커싱 장치가 선형성과 편차를 가질 때 동일한 문제가 발생한다.

본 발명은 여기에서 해결책을 제공한다. 도 1에 따른 본 발명에 따른 포커싱 장치(10)는 베이스 바디(12)를 갖고, 상기 베이스 바디 상에서 대물 렌즈(16)를 포함한 렌즈 홀더(14)가 포커싱을 위해 이중 화살표(11) 방향으로 이동될 수 있다.

이를 위해, 렌즈 홀더(14)는 베이스 바디(12) 상에서 3개의 선형 가이드(22, 24, 26)에 의해 안내된다. 이동을 위해 2개의 드라이브(18, 20)가 제공된다. 이동 경로를 검출하기 위해 2개의 경로 측정 시스템(28, 30)이 제공된다.

2개의 드라이브(18, 20)는 각각 볼 스크루 드라이브(19, 21)를 포함한다(도 2).

선형성과의 편차를 가능한 한 작게 유지하기 위해, 2개의 외부 선형 가이드(22, 26)는 대물 렌즈(16)의 길이 방향으로 볼 때, 대물 렌즈(16)의 양 단부로부터 불과 매우 작은 거리(d)에 배치된다(도 3 참조).

2개의 경로 측정 시스템(28, 30)도 대물 렌즈(16)의 길이 방향으로 볼 때, 대물 렌즈(16)의 단부들에 대해 매우 작은 거리(e)에 배치된다(도 3 참조).

외부 선형 가이드(22, 26)와 대물 렌즈(16)의 단부들 사이의 거리(d)는 대물 렌즈(16)의 길이 방향으로 볼 때, 대물 렌즈(16)의 전체 길이의 15% 미만이다. 경로 측정 시스템(28, 30)과 대물 렌즈(16)의 단부들 사이의 거리(e)는 대물 렌즈(16)의 길이 방향으로 볼 때, 대물 렌즈(16) 길이의 10% 미만이다.

선형 가이드(22, 26)와 대물 렌즈(16)의 단부들 사이의 이러한 작은 거리들에 의해 대물 렌즈(16)의 포커싱 시 편차가 가능한 한 작게 유지된다. 경로 측정 시스템(28, 30)과 대물 렌즈(16)의 단부들 사이의 작은 거리로 인해 검출은 가능한 한 정확하다.

드라이브(18, 20) 및 경로 측정 시스템(28, 30)은, 도 1에서 도면부호 32로만 표시된 제어 장치에 연결된다. 물론, 제어 장치(32)는 일반적으로 전체 레이저 시스템의 중앙 제어 장치의 일부이며, 그것의 나머지 구성 요소들은 여기에 도시되지 않는다.

포커싱을 위해 2개의 드라이브(18, 20)가 먼저 제어 장치(32)에 의해 서로 동기식으로 작동된다. 이러한 구동 원리는 소위 겐트리(gantry) 구동으로도 공개되어 있다.

포커싱 시 선형성과의 편차가 확인되면, 선형성 오류를 가능한 한 완전히 보상하기 위해, 드라이브(18, 20) 및 경로 측정 시스템(28, 30)에 연결된 제어 장치(32)는 2개의 드라이브(26, 28)를 비동기식으로 이동시키거나 또는 2개의 드라이브(18, 20) 중 하나만을 약간만 이동시킨다. 이 경우 발생하는 모든 장력은 작은 보정 경로의 결과로서 감수될 수 있다.

또한, 상이한 열 거동(온냉 거동)으로 인한 포커스 이동을 조절 또는 제어 방식으로 보상하는 것도 가능하다. 이는 조명된 물체의 작업 평면에 대해 평행한 선형 포커스의 본 발명에 따라 가능한 한 평행한 교정에 의해 가능해진다.

Claims (11)

1. 레이저 빔을 이용한 물체의 선형 조명을 위해 대물 렌즈(16)를 포커싱하기 위한 포커싱 장치로서, 상기 대물 렌즈(16)를 수용하기 위한 렌즈 홀더(14)가 이동 가능하게 배치된 베이스 바디(12), 이동 시 상기 렌즈 홀더(14)를 안내하기 위한 적어도 하나의 선형 가이드(22, 24, 26) 및 적어도 하나의 경로 측정 시스템(28, 30)을 포함하는 포커싱 장치에 있어서,
   상기 렌즈 홀더(14)의 이동을 위해 적어도 2개의 드라이브(18, 20)가 제공되고,
   상기 드라이브(18, 20) 및 상기 적어도 하나의 경로 측정 시스템(28, 30)에 연결된 제어 장치(32)가 제공되며,
   상기 제어 장치(32)는 선형성 오류의 검출 시 상기 2개의 드라이브(18, 20) 중 하나의 이동에 의한 보정을 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 포커싱 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 적어도 2개의 선형 가이드(22, 24, 26)가 제공되는 것을 특징으로 하는 포커싱 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 2개의 외부 선형 가이드(22, 26)가 제공되고, 상기 가이드는 상기 대물 렌즈(16)의 길이 방향으로 볼 때, 상기 대물 렌즈(16)의 단부들로부터 최대 25%의 거리(d)에 배치되는 것을 특징으로 하는 포커싱 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 가이드는 상기 대물 렌즈(16)의 길이 방향으로 볼 때, 상기 대물 렌즈(16)의 단부들로부터 최대 15%의 거리(d)에 배치되는 것을 특징으로 하는 포커싱 장치.
5. 삭제
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 2개의 경로 측정 시스템(28, 30)이 제공되고, 상기 측정 시스템은 상기 대물 렌즈(16)의 길이 방향으로 볼 때, 상기 대물 렌즈(16)의 단부들로부터 최대 10%의 거리(e)에 배치되는 것을 특징으로 하는 포커싱 장치.
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 장치(32)는 선형성 오류의 검출 시 상기 2개의 드라이브(18, 20) 중 하나의 이동에 의한 보정을 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 포커싱 장치.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 장치(32)는 선형성 오류의 검출 시 상기 2개의 드라이브(18, 20)의 비동기식 이동에 의한 보정을 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 포커싱 장치.
10. 레이저 빔을 이용한 물체의 선형 조명을 위해 대물 렌즈(16)를 포커싱하기 위한 포커싱 방법으로서, 상기 대물 렌즈(16)를 수용하기 위한 렌즈 홀더(14)가 포커싱을 위해 베이스 바디(12) 상에서 적어도 2개의 드라이브(18, 20) 및 적어도 하나의 선형 가이드(22, 24, 26)를 이용해서 이동되며, 이동 경로의 모니터링을 위해 적어도 하나의 경로 측정 시스템(28, 30)이 사용되고,
    2개의 드라이브(18, 20)는 포커싱을 위해 동기식으로 이동되지만, 선형성 오류의 검출 시 보상을 위해 비동기식으로 또는 한쪽만 이동되는 것인 포커싱 방법.
11. 삭제