KR20020070802A - 조명광학계 및 이를 구비하는 레이저 처리장치 - Google Patents

Abstract

우수한 결상성능을 가지며 조도균일성이 좋고 가는 선폭의 큰 어스펙트비의 선형 빔을 조사할 수 있는 조명광학계가 레이저 광원(1)으로부터의 조사빔의 직경을 확대하는 무한초점의 빔엑스팬더계(2)와, 적어도 제1방향(x)에 대략 직교하는 제2방향(y)으로 굴절력을 가지며 빔엑스팬더계(2)로부터의 조사빔을 상기 제1방향(x)으로 길이방향을 갖는 선형 빔에 결상하는 선형 빔 형성렌즈계(3)와, 상기 제1방향(x)을 따라 배열된 복수의 요소렌즈(EL11) 등을 갖는 렌즈어레이부(4)와, 상기 선형 빔의 상기 각 요소렌즈(EL11) 등 마다의 상을 피처리면(12)에 중합시켜서 조사하는 콘덴서 광학계(5)를 구비한다.

Description

조명광학계 및 이를 구비하는 레이저 처리장치{Lighting optical system and laser processing device having the same}

본 발명은 유리기판 등의 어닐링 처리에 적합한 조명광학계 및 이 광학계를 구비한 레이저 처리장치에 관한 것이다.

종래 비정질규소막에 대해 레이저막을 조사함으로써 결정화하는 기술이 알려져 있었다. 또한 불순물 이온의 주입에 의해 손상된 규소막의 결정성 회복이나 주입된 불순물 이온의 활성화를 위해 레이저광을 조사하는 기술이 알려져 있었다. 이들을 레이저 어닐링 기술이라 한다.

레이저 어닐링법에 의한 공정은 기판에 대한 열손실이 거의 없다는 특징이 있다. 이 기판에 대한 열손실 문제가 없다는 특징은, 예컨대 유리 등 내열성이 낮은 기판 위에 반도체소자를 형성할 때에 유리하다.

최근 액정표시소자, 특히 대형 동화상용 액정표시소자에서는 비용 문제 및 대면적화의 요구로 인해 기판으로서 유리기판을 이용하는 것이 바람직하다. 이 때문에 레이저 어닐링법을 이용하면 기판으로서 내열성이 낮은 유리를 사용한 경우에도 유리기판에 대한 열손실이 거의 없다. 따라서 유리기판을 이용해도 결정성 규소막을 사용한 박막트랜지스터 등의 반도체소자를 작성할 수 있다. 따라서 레이저 어닐링법은 유리기판 위에 반도체 회로를 만드는 기술요소로서 장차 기대되고 있다.

반도체 회로 등이 형성되는 유리기판은 비교적 큰 면적의 것이 많다. 이에 반해 레이저광은 광원으로부터 출사된 직후의 상태에서는 빔조사 면적이 작다. 이 때문에 빔형상을 사각형이나 선형으로 가공하여 소정 영역을 주사하고 있다. 예컨대 선형 빔을 그 길이방향과는 수직으로 이동시켜 유리기판 위를 주사시킨다. 이로써 비교적 단시간에 유리기판 전체에 어닐링할 수 있게 된다.

이와 같은 레이저 어닐링에 이용하는 선형 빔을 만드는 광학계가, 예컨대 일본 특개평10-244392호 공보에 개시되어 있다. 일본 특개평10-244392호 공보에서는 호모디나이저로 불리우는 광학계를 이용하여 레이저 빔을 선형 빔으로 변환하고 있다. 호모디나이저는 매우 높은 균일성을 갖는 조도 및 형상의 선형 빔을 만들도록 요구된다. 해당 공보에서는 복수의 원통렌즈로 이루어진 다원통렌즈계가 호모디나이저로서 이용되고 있다. 그리고 호모디나이저가 빔조도의 균일성에 있어서 중심적인 역할을 한다.

다원통렌즈계는 좁고 긴 종이띠 모양의 각 원통렌즈를 그 굴절력을 갖는 방향을 따라 일렬로 나열한 렌즈계이다. 통상의 균일조명시에 이용되는 플라이아이 렌즈와 마찬가지로 다원통렌즈계에 입사된 광속은 각 원통렌즈로 분할되어 선형으로 집광된다. 그 결과 원통렌즈의 수와 같은 수의 선형 상이 형성된다. 이 선형 상이 새로운 복수의 2차 선광원이 되어 렌즈(다른 원통렌즈)를 통해 시료를 조명한다. 시료의 조사면에서는 복수의 2차 선광원으로부터의 광이 겹쳐 평균화된다. 이로써 다원통렌즈계가 배열된 방향(굴절력을 갖는 방향)의 조도분포가 균일해진다.

또 일본 특개평10-244392호 공보에서는 선형 빔의 길이방향 뿐만 아니라 그 폭방향으로도 조도를 균일하게 하기 위하여 다원통렌즈계를 2개 이용하고 있다.

그러나 상기 공보에 개시된 바와 같이 원통렌즈를 많이 사용하는 것은 이하에 설명하는 문제가 있다. 원통렌즈는 통상의 구면렌즈에 비해 가공이 어렵고 또 제조비용도 증가한다. 또한 형상 가공의 정밀도도 통상의 구면렌즈에 비해 매우 낮다. 그 때문에 실제 장치의 제조를 고려하면 원통렌즈를 많이 사용하는 광학계는제조비용이 증가할 뿐만 아니라 가공정밀도 면에서 높은 요구성능을 만족시키지 못할 우려가 있다.

또한 상술한 바와 같이 대형 액정디스플레이의 수요가 증가함에 따라 주사영역면적이 대형화되고 있다. 이 때문에 선형 빔의 길이는 더욱 긴 것이 요구되고 있다. 여기에서 빔선폭은 일정한 채로 빔의 길이방향의 길이를 늘리면 조사면적이 커지게 된다. 따라서 단위면적당 에너지밀도가 작아진다. 그 결과 시료에 빔을 조사했을 때 어닐링에 필요한 온도까지 가열시키기 어렵다. 그래서 시료조사시의 에너지밀도를 높이기 위해 빔의 길이방향의 길이를 늘릴 뿐만 아니라 그 빔선폭도 가늘게 해야 한다.

가는 선폭의 빔이 필요한 다른 이유를 후술하기로 한다. 종래 레이저광원으로서 출력파워가 큰 엑시머레이저를 사용하는 경우가 많았다. 그러나 엑시머레이저는 고가인데다 장치 자체가 대형이다. 이 때문에 보다 저렴하면서 소형이고 취급도 용이한 고체 레이저, 또는 YAG 레이저를 광원으로서 병용할 수 있는 것이 요구되고 있다. 이 고체 레이저 또는 YAG 레이저는 엑시머레이저에 비하면 출력에너지가 낮다. 이 때문에 조사면의 에너지밀도를 증가시키기 위해서는 보다 가는 선폭의 빔으로 집광시켜야 한다. 따라서 빔의 길이방향의 길이를 늘릴 뿐 아니라 그 빔선폭도 가늘게 해야 한다.

상술한 바와 같이 가는 선폭의 선형 빔의 필요성에 따라 이것을 달성하기 위해 선형 빔의 길이방향으로 높은 결상성능을 갖는 광학계가 필요하다. 이와 같은 결상성능이 요구되는 입장에서 보더라도 상술한 일본 특개평10-244392호 공보에 개시된 광학계는 충분한 사양이 아니다.

일본 특개평10-244392호 공보에서는 상술한 바와 같이 좁고 긴 종이띠 모양의 원통렌즈를 여러개 갖는 다원통렌즈계를 2개 사용하고 있다. 그리고 다원통렌즈계에 이어 일반적으로 콘덴서렌즈로 불리우는 광학계도 다원통렌즈계로 구성되어 있다.

이와 같이 원통렌즈군으로 광학계를 구성하고 빔길이방향과 빔가로방향을 각각 다른 파워배치로 광학계를 구성하는 것은 직사각형(선형) 빔을 만들 때에는 설계자가 직감적으로 이해하기 쉬워 유효한 설계방법이라 생각된다.

그런데 파워의 방향이 다른 원통렌즈를 조합시킨 광학계에 평행광속이 입사되면 각 원통렌즈의 파워 방향과 다른 방향으로 진행하는 광선이 나타난다. 이 광선의 수차는 단순히 직교하는 파워를 조합시킨 광학계로는 쉽게 보정할 수 없다. 따라서 실제 광학계의 수차를 높은 레벨로 보정하는 것을 목적으로 하는 경우에는 이 설계방법은 바람직하지 않다.

예컨대 단순히 원형 단면을 갖는 평행광속을 가정한다. 다음에 음(凹)의 파워를 갖는 제1원통렌즈와, 이 제1원통렌즈의 뒤(상(像)쪽)에 제1원통렌즈의 파워 방향과 직교하는 방향으로 양(凸)의 파워를 갖는 제2원통렌즈를 배치한다. 그리고 상기 평행광속을 제1, 제2원통렌즈로 입사시켜 선형으로 집광하는 경우를 생각한다.

이 경우 최초의 음 파워를 갖는 제1원통렌즈에 의해 광속은 한방향으로만 발산된다. 또 다음의 양 파워를 갖는 제2원통렌즈에 의해 이 발산광은 발산방향의 수직방향으로 집광된다. 여기에서 음의 제1원통렌즈를 사출한 발산광 중 발산중심부의 광은 양의 제2원통렌즈에 입사될 때 제2원통렌즈의 모선(母線)에 대해 수직으로 입사된다. 반면 제1원통렌즈를 사출한 발산광 중 발산방향 주변부의 광은 제2원통렌즈의 모선에 대해 비스듬히 입사된다.

그 결과 음의 제1원통렌즈를 출사한 발산광의 발산방향 중심부의 광과 주변부의 광에 있어서, 양의 제2원통렌즈에 입사한 후의 광의 집광 위치가 다르다. 그 결과 선형으로 결상할 때 선형 상 중심부와 주변부에서는 선폭이 달라진다. 그 때문에 원통렌즈로 이루어진 광학계에서는 이와 같은 원통렌즈 특유의 수차를 보정할 필요가 있다.

상술한 원통렌즈 특유의 수차는 일반적인 광학설계자에게 익숙하지 않다. 상기 광선의 행동은 단순히 빔 가로(단축)방향을 포함하는 면과 빔 길이(장축)방향을 포함하는 면만으로는 표시할 수 없다. 직교하는 파워를 갖는 원통렌즈의 조합만으로 원통렌즈에 특유의 상기 수차를 보정하는 것은 매우 어렵다. 또한 만약 해당 수차가 보정되었다고 해도 매우 많은 원통렌즈가 필요할 것으로 예상된다.

이상 설명한 바와 같이 보다 가는 선폭의 선형 빔을 가공하는 경우, 광학설계의 수법의 입장에서 보더라도 직교하는 원통렌즈를 많이 사용하는 광학계는 바람직하지 않다.

또한 일본 특개평10-244392호 공보에 개시된 광학계에서는 빔 가로방향의 조도 균일성을 확보하는 구성으로 이루어져 있다. 그러나 이 구성도 가는 선폭의 선형 빔을 가공하는 것을 생각하면 이하의 이유 때문에 바람직하지 않다.

우선 선폭방향의 조도 균일성의 필요성에 대해 설명한다. 선폭방향의 조도 균일성을 높이는 것은 선형 빔의 주사속도를 고속화하는 경우에 유효하다. 선형 빔의 주사방향의 선폭이 넓은 경우에는 선형 빔의 주사속도를 빠르게 해도 기판시료 위의 단위면적을 선형 빔이 통과하기 때문에 시간이 길어진다. 따라서 기판시료 위의 선형 빔 조사시간은 결정화 등의 반응에 충분하다. 그 때문에 선형 빔 선폭이 넓을수록 주사속도를 올릴 수 있기 때문에 어닐링 공정의 시간을 단축할 수 있다.

그런데 선형 빔의 조도 균일성이 낮은 경우에는 빔폭의 주변부에서 에너지가 낮아진다. 이 때문에 선형 빔을 주사했을 때 선형 빔의 주변부에서는 어닐링의 반응이 일어나지 않는 경우가 있다. 이 경우에는 가는 선폭의 선형 빔을 주사하는 것과 등가가 되기 때문에 주사속도를 올릴 수 없게 된다.

상술한 바와 같이 최근 보다 큰 면적의 액정표시소자(디스플레이)가 요구되고 있다. 따라서 액정표시소자의 제조공정의 신속화를 꾀하고 보다 넓은 면적의 기판을 가공하는 기술이 요망되고 있다. 또한 상술한 바와 같이 선형 빔의 선폭을 가늘게 하기 위해서는 고도의 수차보정을 실시하는 것이 바람직하다. 더욱이 고도로 수차보정된 선폭이 가는 선형 빔을 가공하는 것과 선형 빔의 가로(선폭) 방향으로 높은 조도 균일성을 얻는 것을 양립하는 것은 매우 어렵다. 따라서 선형 빔의 길이방향으로는 조도 균일성을 높일 것, 및 선형 빔의 가로방향으로는 선폭을 가늘게 할 것에 관한 광학성능만으로 특화된 광학계가 요망된다. 이와 같은 관점에서 보더라도 일본 특개평10-244392호 공보에 개시된 광학계는 충분하다고는 할 수 없다.

또한 매우 넓은 범위를 주사하여 레이저광을 조사하는 광학계에서는 조사측광학계의 개구수(NA)를 크게 하기 어렵다. 이 때문에 회절의 영향이 생겨 기하광학적인 고찰만으로는 선형 상의 조도 균일성을 충분히 해석할 수 없다. 더욱이 상술한 광학계에서는 선형 빔의 가로방향의 조도균일성을 향상시키기 위해 다원통렌즈계를 이용하고 있다. 해당 렌즈계의 기능은 이미 설명한 바와 같이 광원으로부터의 빔을 선폭방향으로 분할하고 그 분할된 빔이 만드는 선형 상을 피조사면에서 중합시키는 것이다. 그 때문에 피조사면에서의 선형 상의 선폭이 가늘어지면 선형 상의 중합 정밀도는 선형 상의 폭보다 작게 할 필요가 있다. 즉 요구되는 선폭이 가늘어짐에 따라 선형 상의 중합 정밀도도 악화된다. 따라서 레이저 처리장치의 제조를 고려하면 피조사면에서의 선형 상의 조도 분포의 균일성을 다소 희생하더라도 빔의 분할수를 줄인 쪽이 바람직하다. 그 때 어닐링 가공 속도를 다소 저하시키면 선형 상의 선폭 방향의 조도균일성을 저하시킬 수 있기 때문에 빔의 분할수도 줄일 수 있어 장치제조 입장에서 보아 바람직해진다.

본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로서 우수한 결상성능을 가지며 조도균일성이 좋고 가는 선폭의 큰 어스펙트비의 선형 빔을 조사할 수 있는 조명광학계 및 저비용으로 제조가 용이하고 대면적을 고속으로 처리할 수 있는 레이저 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는 레이저 광원(1)으로부터의 조사빔의 직경을 확대하는 무한초점(afocal)의 빔엑스팬더계(2)와, 적어도 제1방향(x)에 대략 직교하는 제2방향(y)으로 굴절력을 가지며 상기 빔엑스팬더계(2)로부터의 조사빔을 상기 제1방향(x)으로 길이방향을 갖는 선형 빔으로 결상하는 선형 빔 형성렌즈계(3)와, 상기 제1방향(x)을 따라 배열된 복수의 요소렌즈(EL11), (EL12), (EL13), (EL21), (EL22), (EL23)를 갖는 렌즈어레이부(4)와, 상기 선형 빔의 상기 각 요소렌즈(EL11), (EL12), (EL13), (EL21), (EL22), (EL23) 마다의 상을 피처리면(12)에 중합시켜서 조사하는 콘덴서 광학계(5)를 갖는 것을 특징으로 하는 조명광학계를 제공한다.

또한 본 발명의 바람직한 형태에서는, 상기 선형 빔 형성렌즈계(3)는 상기 제2방향(y)으로 양의 굴절력을 갖는 원통렌즈(3)인 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 바람직한 형태에서는, 상기 원통렌즈(3)와 상기 렌즈어레이부(4)와 상기 콘덴서 광학계(5) 중 적어도 하나를 광축(AX)을 따라 이동 가능한 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 바람직한 형태에서는, 상기 렌즈어레이부(4)는 적어도 제1서브어레이부(LA1)와 제2서브어레이부(LA2)를 구비하며 상기 요소렌즈(EL11), (EL12), (EL13), (EL21), (EL22), (EL23)는 회전대칭인 렌즈이며 상기 제1서브어레이부(LA1)와 상기 제2서브어레이부(LA2)는 상기 각 서브어레이부(LA1), (LA2)에 대응하는 상기 각 요소렌즈(EL11)과 (EL21), (EL12)와 (EL22), (EL13)과 (EL23)의 광축(AX11)과 (AX12), (AX), (AX13)과 (AX23) 끼리 거의 일치하도록 배열되어 있는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 바람직한 형태에서는, 상기 콘덴서 광학계(5)는 상기 피처리면(12) 쪽에 상기 제2방향(y)으로 양의 굴절력을 갖는 다른 원통렌즈(7)를 갖는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 레이저광을 공급하는 레이저광원(1)과, 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 조명광학계와, 상기 피처리면(I2)과 상기 조사된 선형 빔을 상대적으로 이동하는 주사이동부(6)를 갖는 레이저 처리장치를 제공한다.

또한 본 발명의 바람직한 형태에서는, 레이저 광원(101)으로부터의 조사빔을 제1방향(x방향)에 대해 복수의 조사빔으로 분할하고 소정 면(I101) 위에서 중합시키는 프리즘 부재(103)와, 적어도 상기 제1방향(x방향)으로 대략 직교하는 제2방향(y방향)으로 굴절력을 가지며 상기 분할된 복수의 조사빔을 상기 제1방향(x방향)으로 길이방향을 갖는 선형 빔으로 결상하는 선형 빔 형성렌즈계(104)와, 상기 선형 빔을 상기 제1방향(x방향)으로 확대하여 피처리면(I102) 위에 조사하는 확대광학계(105)를 갖는 것을 특징으로 하는 조명광학계를 제공한다.

또한 본 발명의 바람직한 형태에서는, 상기 프리즘 부재(103)는 사다리형 프리즘(103)이며 해당 사다리형 프리즘(103)에 의해 분할된 상기 복수의 조사빔이 중합되는 상기 소정면(I101)의 위치와, 상기 선형 빔 형성렌즈계(104)의 상기 제2방향(y방향)의 초점위치(I101), (I112)가 대략 일치되어 있는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 바람직한 형태에서는, 상기 확대광학계(105)는 광축(AX)에 대해 회전대칭인 광학계인 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 바람직한 형태에서는, 상기 선형 빔 형성렌즈계(104)는 상기 제2방향(y방향)으로 양의 굴절력을 갖는 제1원통렌즈(104)인 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 바람직한 형태에서는, 상기 확대광학계(105)는 상기 피처리면(I102) 측에 상기 제2방향(y방향)으로 양의 굴절력을 갖는 제2원통렌즈(107)를 구비하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 바람직한 형태에서는, 상기 제1원통렌즈(104)와 상기 제2원통렌즈(107) 중 적어도 하나는 상기 광축(AX)을 따라 이동 가능한 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 바람직한 형태에서는, 상기 레이저 광원(101)으로부터의 조사빔 직경을 상기 제2방향(y방향)보다 상기 제1방향(x방향)으로 크게 확대하는 빔엑스팬더계(102)를 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 레이저광을 공급하는 레이저 광원(101)과, 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 조명광학계는 상기 피처리면(I102) 위의 선형 빔과 상기 피처리면(I102)을 상대적으로 이동하는 주사이동부(106)를 구비하는 레이저 처리장치를 제공한다.

더욱이 본 발명의 구성을 설명하는 상기 과제를 해결하기 위한 수단의 항에서는 본 발명을 알기 쉽게 하기 위해 발명의 실시예의 도면을 이용했는데 이에 의해 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1a 및 도 1b는 제1실시예에 따른 레이저 처리장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고,

도 2a 및 도 2b는 제2실시예에 따른 레이저 처리장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고,

도 3은 렌즈어레이부의 구성을 나타낸 도면이고,

도 4a 및 도 4b는 제3실시예에 따른 레이저 처리장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고,

도 5a 및 도 5b는 제4실시예에 따른 레이저 처리장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고,

도 6a 내지 도 6e는 중합 효과를 설명하는 도면이고,

도 7은 빔엑스팬더의 구성을 나타낸 도면이고,

도 8a 및 도 8b는 빔의 단면형상 변환을 설명하는 도면이다.

이하, 첨부도면에 근거하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

(제1실시예)

도 1a 및 도 1b는 제1실시예에 따른 레이저 처리장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 고체레이저(1)에서 사출된 단면이 거의 원형인 레이저빔은 무한초점의 빔엑스팬더(2)에 의해 광속직경이 확대되어 직경이 큰 콜리메이트광으로 변환된다. 콜리메이트광(L)은 원통렌즈(3)에 입사된다. 원통렌즈(3)는 x방향으로는 굴절력을 가지고 있지 않으며(논파워 면) 해당 x방향에 거의 직교하는 y방향으로 양의 굴절력을 가지고 있다. 이 때문에 원통렌즈(3)를 투과한 광은 중간결상면(I1)에 x방향을 길이방향으로 하는 선형으로 집광된다.

여기에서 고체레이저(1)에서 사출된 단면이 거의 원형인 레이저빔의 강도 분포는 가우스 분포이다. 그리고 원형 빔을 원통렌즈(3)에서 선형 상으로 변환하고 있기 때문에 선형 상의 중심부분의 조도가 강하고 주변 부분의 조도가 낮다. 따라서 중간결상면(I1)에 형성된 선형 상은 x방향으로 조도분포를 갖는 불균일한 선형 상이다.

중간결상면(I1)의 바로 최종 상 쪽에는 제1서브 렌즈어레이부(LA1)와 제2서브 렌즈어레이부(LA2)로 이루어진 렌즈어레이부(4)가 설치되어 있다. 도 3은 렌즈어레이부(4)이 구성을 나타낸 도면이다. 여기에서 제1서브 렌즈어레이부(LA1)와 제2서브 렌즈어레이부(LA2)는 동일한 구성이므로 제1서브 렌즈어레이부(LA1)를 예로 들어 설명하고 중복되는 설명은 생략한다. 제1서브 렌즈어레이부(LA1)는 복수의 요소렌즈(EL11), (EL12), (EL13)를 구비하고 있다. 각 요소렌즈(EL11) 등은 그 광축(AX11) 등에 관해 회전대칭되는 형상이다. 이들 각 요소렌즈(EL11) 등은 원통렌즈(3)가 굴절력을 가지고 있지 않은 x방향을 따라 일렬로 배열되어 있다.

또한 제1서브 렌즈어레이부(LA1)와 제2서브 렌즈어레이부(LA2)는 제1서브 렌즈어레이브(LA1)의 요소렌즈(EL11)의 광축(AX11)과, 제2서브 렌즈어레이부(LA2)의대응하는 요소렌즈(EL21)의 광축(AX21)이 일치하도록 배치되어 있다. 기타 요소렌즈(E12) 등에 관해서도 마찬가지이다.

도 1a 및 도 1b로 돌아가 렌즈어레이부(4)의 상 쪽에는 콘덴서 렌즈(5)가 배치되어 있다. 렌즈어레이부(4)와 콘덴서 렌즈(5)로 결상계를 구성한다. 이 결상계에 의해 원통렌즈(3)가 중간결상면(I1)에 형성한 선형 상을 유리기판(G) 위의 피조사면(피처리면)(I2)에 결상한다. 즉 원통렌즈(3)가 형성한 선형 상의 위치와 피조사면(I2)의 위치가 공으로 되어 있다.

또한 렌즈어레이부(4)와 콘덴서 렌즈(5)로 이루어진 광학계는 결상계이면서 동시에 원통렌즈(3)가 형성한 중간결상면(I1)에서의 조도가 불균일한 선형 상을 최종 상면인 피조사면(I2)에 있어서 균일한 조도분포를 갖는 선형 상으로 변환하는 역할을 하고 있다. 피조사면(12)에 있어서 균일한 조도분포의 선형 상을 만드는 원리는 상술한 일반적인 균일조명을 할 때 이용되는 플라이아이 렌즈의 원리와 동일하다. 즉 렌즈어레이(4)는 원통렌즈(3)가 형성한 면(I1)의 선형 상으로부터의 광을 분할한다. 본 실시예에서는 3개의 요소렌즈(EL11), (EL12), (EL13)로 3분할되어 있다. 그리고 분할된 선형 상을 콘덴서 렌즈(5)로 피조사면(12) 위에서 중합시켜서 결상한다. 그 결과 각 요소렌즈에 대응하는 각각의 선형 상의 평균화 효과에 의해 균일한 조도의 선형 상을 얻을 수 있다.

다음에 이 중합에 의한 조도 균일화에 대해 도 1a 및 도 1b를 기준으로 더욱 상세하게 설명한다.

도 1a에 도시한 바와 같이 원통렌즈(3)가 굴절력을 가지고 있지 않은 x방향에서는 평행광속(L)이 렌즈어레이부(4)로 입사된다. 그리고 각 요소렌즈에 대응하여 집광 위치(P1),(P2),(P3)로 집광된다. 또한 도 1b에 도시한 바와 같이 원통렌즈(3)가 굴절력을 갖는 y방향에서는 원통 렌즈(3)의 초점위치와 렌즈어레이부(4)의 초점위치는 대략 일치하도록 배치되어 있다. 이로써 원통렌즈(3)로 선형으로 집광된 광은 렌즈어레이부(4)에서 무한초점의 평행광속으로 변환되어 사출된다. 그리고 도 1a 및 도 1b에서 알 수 있듯이 집광위치(P1), (P2), (P3)에서 선형으로 집광된 광은 각각 새로운 선광원을 형성한다. 그리고 이들 선광원으로부터의 광은 각각 콘덴서 렌즈(5)를 거쳐 유리기판(G) 위의 피조사면(I2) 위의 같은 위치에 중합되어 선형 상을 형성한다.

피조사면(I2) 위에서의 선형 상의 조도 분포는 렌즈어레이부(4)의 요소렌즈(EL11) 등에 의해 3분할된 광의 조도분포를 중합시킨 것이 된다. 예컨대 요소렌즈(EL11)과 (EL21)을 투과한 광이 피조사면(12)에 형성하는 선형 상은 원통렌즈(3)가 중간결상면(I1)에 형성한 선형 상을 3분할했을 때의 1/3의 부분(L1)의 상이다. 광축(AX) 위의 요소렌즈(EL12)와 (EL22)를 투과한 광이 피조사면(I2)에 형성하는 선형 상은 원통렌즈(3)가 중간결상면(I1)에 형성한 선형 상을 3분할했을 때의 1/3의 부분(L2)의 상이다. 요소렌즈(EL13)과 (EL23)을 투과한 광이 피조사면(I2)에 형성하는 선형 상은 원통렌즈(3)가 중간결상면(I1)에 형성한 선형 상을 3분할했을 때의 1/3의 부분(L3)의 상이다. 이 때문에 렌즈어레이부(4)에 의해 3분할된 광이 피조사면(12)에 형성하는 선형 상의 조도 분포는 광속(L1), (L2), (L3)이 갖는 서로 다른 조도분포의 중합이라는 것을 알 수 있다.

또한 원통렌즈(3)가 중간결상면(I1)에 형성하는 선형 상의 조도분포는 광축(AX)에 대해 대칭이다. 그 때문에 도 1a에 도시한 바와 같이 선형 상을 3분할하면 렌즈어레이부(4)의 광축(AX)에서 먼 양단의 2개의 요소렌즈(EL11), (EL13)가 형성하는 선형 상의 조도 분포는 서로 반대칭의 조도분포가 된다. 따라서 3분할된 3개의 선형 상이 피조사면(I2)에서 중합되면 조도분포가 평균화되어 균일성이 매우 높은 조도분포를 얻을 수 있다.

더욱이 본 실시예에서는 요소렌즈가 3개인 경우를 도시했는데, 2개인 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한 요소렌즈의 수를 증가시켜서 빔의 분할수를 늘리면 늘릴수록 평균화의 효과가 향상되어 균일한 조도 분포의 선형 상을 형성할 수 있다.

다음에 보다 가는 선폭을 갖는 선형 상을 형성하기 위해 필요한 결상성능(수차)에 대해 설명하기로 한다.

원통렌즈(3)로 형성한 선형 상은 렌즈어레이부(4)와 콘덴서 렌즈(5)로 이루어진 광학계에서 피조사면(I2)에 결상되어 있다. 이 때문에 모든 수차의 발생원은 원통렌즈(3)와 렌즈어레이부(4)와 콘덴서 렌즈(5)이다.

이 중에서 원통렌즈(3)에 입사되는 광은 평행광이고 그 입사방향도 한방향 뿐이어서 해당 원통렌즈(3)에서 발생하는 수차는 단순히 구면수차에 상당하는 것일 뿐이다. 따라서 원통렌즈(3)의 수차 보정은 통상의 축대칭적인 광학계와 같이 양음(凹凸)의 2장의 원통렌즈를 조합시킴으로써 용이하게 보정할 수 있다.

다음에 렌즈어레이부(4)와 콘덴서 렌즈(5)로 이루어진 광학계에 대해서는 상술한 바와 같이 결상계를 구성하고 있다. 따라서 이 결상광학계 전체적으로 수차가 보정되어야 한다. 그리고 이 결상광학계 전체의 수차보정을 수행하는 경우에 렌즈어레이부(4)에서 발생하는 수차량이 문제가 된다.

렌즈어레이부(4)는 상술한 바와 같이 균일조명시에 이용되는 플라이아이 렌즈의 기능과 동일한 기능을 하고 있다. 그리고 통상의 플라이아이 렌즈가 구조상 부득이하게 각각의 요소렌즈는 하나의 단일렌즈 성분으로 구성되어 있다. 그 때문에 렌즈어레이부(4)의 요소렌즈(EL11) 등을 하나의 단일렌즈 성분으로 구성하는 경우, 해당 렌즈에서 큰 수차가 발생한다. 그래서 이 렌즈어레이부(4)에서 발생한 수차를 콘덴서 렌즈(5)로 보정하는 것을 시도한다. 그러나 일렬로 배치된 각 요소렌즈(EL11) 등의 수차를 동시에 보정하는 것은 매우 어렵다. 도 1a에서 알 수 있듯이 렌즈어레이부(4)에서 사출된 광은 선형으로 결상되어 콘덴서 렌즈(5)에 입사된다. 그리고 렌즈어레이부(4)의 각각의 요소렌즈에서 사출된 광은 다른 높이에서 콘덴서 렌즈(5)로 입사된다. 그러나 각 요소렌즈에서 발생하는 수차의 형태는 동일하기 때문에 콘덴서 렌즈(5)에 있어서 다른 광로를 통과하는 광에 대해 같은 형태의 수차를 보정해야 한다. 이에 따른 수차 보정은 매우 어렵다.

그래서 본 실시예와 같이 렌즈어레이부(4)를 제1서브 렌즈어레이부(LA1)와 제2서브 렌즈어레이부(LA2)로 이루어진 2장의 더블렛 렌즈로 구성함으로써 렌즈어레이부(4)에서의 수차를 충분히 보정할 수 있다. 또한 2장의 더블렛 렌즈의 렌즈어레이부(4)와 수차가 충분히 보정된 콘덴서 렌즈(5)를 조합시키면 렌즈어레이부(4)와 콘덴서 렌즈(5)로 이루어진 결상계는 충분한 결상성능을 가질 수 있다. 이 때문에 원통렌즈(4)로 형성된 선형 상을 충분히 가늘게 피조사면(12)에 결상할 수 있게 된다. 더욱이 콘덴서 렌즈(5)의 수차를 충분히 용이하게 보정할 수 있다는 것은 축대칭적인 통상의 광학계라는 점에서 분명하다.

또한 본 실시예의 경우, 렌즈어레이부(4)를 더블렛 렌즈로 구성하기 쉬운 이유는, 통상의 플라이아이 렌즈가 이차원의 배치인 데 반하여 본 실시예의 렌즈어레이부(4)는 일차원의 배열이기 때문이다. 일차원 렌즈어레이부의 경우, 각 렌즈의 지지를 렌즈측면에서 수행할 수 있기 때문에 각각의 렌즈를 2장 구성해도 지지가 용이하다. 아울러 요소렌즈와 나란한 y방향(원통렌즈(3)가 굴절력을 갖는 방향)으로 렌즈어레이부를 시프트할 수 있다. 이로써 선형 상의 폭방향(y방향)의 렌즈의 얼라인먼트에 의한 수차를 취할 수 있다.

또한 본 실시예에서 일차원 렌즈어레이부를 이용할 수 있는 이유는, 상술한 바와 같이 본 발명이 선형 상의 조도 균일성을 길이방향만을 우선으로 하고 선폭방향의 균일성을 희생하여 선폭을 가늘게 하여 특화한 것이기 때문이다. 그리고 이상에서 알 수 있듯이 본 발명의 이와 같은 선택이 옳다는 것을 알 수 있다.

더욱이 비용은 증가하지만 렌즈어레이부(4)의 각각의 요소렌즈를 4장 이상으로 하여 결상성능을 더욱 높일 수도 있다.

또한 본 실시예에서는 원통렌즈(3)를 광축(AX)을 따라 이동하는 제1이동기구부(MV1), 렌즈어레이부(4)를 광축(AX)를 따라 이동하는 제2이동기구부(MV2), 콘덴서 렌즈(5)를 광축(AX)를 따라 이동하는 제3이동기구부(MV3)를 갖는 것이 바람직하다. 이로써 각 렌즈(3),(4),(5)의 위치를 바꿈으로써 디포커스(defocus)시켜서 선형 상의 선폭을 바꿀 수 있다는 효과를 나타낸다. 또 어느 하나의 렌즈를 이동시켜도 상관없다.

(제2실시예)

도 2a 및 도 2b는, 제2실시예에 따른 레이저 처리장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 콘덴서 렌즈(5)와 피조사면(I2) 사이에 양(볼록) 파워를 갖는 원통렌즈(7)가 새로 부가되어 있다. 그 외의 구성은 상기 제1실시예와 동일하기 때문에 동일 부분에는 동일한 부호를 붙이고 중복되는 설명은 생략한다.

본 실시예에서는 원통렌즈(3)에 의해 형성되는 선형 상이 다시 피조사면(I2) 위에 형성되도록 구성한다. 즉 원통렌즈(3)가 만드는 선형 상과 피조사면(I2)이 짝이 되도록 한다. 이 때문에 상기 제1실시예에 비해 원통렌즈(3)가 형성하는 선형 상의 위치(중간결상면)(I1)를 렌즈어레이부(4) 쪽으로 디포커스하고 있다.

이러한 원통렌즈(7)를 설치함으로써 렌즈를 설계하는 것은 물론이고 선형 상의 선폭방향의 초점거리를 더 자유롭게 바꿀 수 있다.

선형 상의 선폭을 문제로 하는 경우, 레이저 광원(1)의 사출특성 등 때문에 선폭방향(y방향)의 초점거리는 중요하다. 일반적으로는 레이저 광원(1)으로부터의 광은 이상적인 평행광이 일정한 방향으로 사출되는 것으로 생각된다. 그러나 실제로는 레이저 광원(1)으로부터의 광은 완전한 평행광이 아니다. 또한 광원(1)에서 발진되는 광의 방향으로도 시간적인 불균일이 있다.

다음에 레이저 처리장치의 경우, 이와 같은 레이저 광원(1)의 발진특성이 광학계의 성능에 영향을 미치는 정도를 설명한다. 예컨대 레이저 광원(1)에서 사출된광이 완전한 평행광이 아니라 그 파면이 꾸불꾸불하며 각도 0의 슬로프의 수차를 갖고 있다고 가정한다. 또한 이 때 레이저 광원(1)의 개구(AP)에서 피조사면(I2)까지의 광학계의 초점거리를 f라 한다. 이 경우 레이저광의 수차는 조사면(I2) 위에서 f-0의 횡수차가 된다. 그 결과 피조사면(12)에서의 선형 상의 선폭이 f-0분 만큼 커진다.

마찬가지로 광원(1)의 빔의 출사각의 불균일을 φ로 한다. 이 경우 피조사면(12)에서의 선형 상의 위치의 불균일은 f·φ가 된다. 이 때문에 레이저 파면의 요동 등의 영향을 억제하기 위해서는 광학계의 초점거리는 가능한 한 짧은 것이 바람직하다. 그러나 광학계의 초점거리가 짧으면 작동거리(워킹디스턴스)를 확보하기 어려워진다. 따라서 기계적인 제약을 만족시키기 어렵다. 이와 같이 광학계를 설계할 때 초점거리를 최적의 값으로 하는 것이 필수이다.

상기 제1실시예에 있어서 초점거리를 바꾸는 경우, 렌즈어레이부(4)와 콘덴서 렌즈(5)로 이루어진 결상광학계의 배율(렌즈어레이부(4)에서 피조사면(12)까지의 배율)을 바꾸거나 또는 원통렌즈(3)의 초점거리를 바꾸어야 한다. 그러나 렌즈어레이부(4)와 콘덴서 렌즈(5)는 모두 광축(AX)에 대해 대칭적인 광학계이다. 이 때문에 도 1a의 x방향의 초점거리를 바꾸기 위해 결상광학계의 배율을 변경함과 동시에 피조사면(I2)에 형성되는 선형 상의 길이도 바뀐다. 또한 원통렌즈(3)의 초점거리를 바꾼 경우 렌즈어레이부(4)에 입사되는 광의 개구수(NA)가 바뀐다. 그 때문에 레이저 광원(1)에서 피조사면(I2)까지의 초점거리를 짧게 하면 이 NA가 커진다. 이 때문에 여기서 발생하는 수차의 보정이 어려워짐과 동시에 렌즈어레이부(4)에서발생하는 수차도 증가한다.

그래서 본 실시예와 같이 콘덴서 렌즈(5)와 피조사면(I2) 사이에 원통렌즈(7)를 추가하면 원통렌즈(3), 렌즈어레이부(4), 콘덴서 렌즈(5)의 각 초점거리를 수차보정을 우선적으로 선택한 경우라 해도 원통렌즈(7)로 전체의 초점거리를 설정할 수 있다. 이 때문에 선형 상의 길이를 일정하게 하면서 모든 수차도 증가시키지 않고 광원(1)의 특성에 따른 광학계를 얻을 수 있다는 효과를 나타낸다.

(제3실시예)

도 4a 및 도 4b은 제1실시예에 따른 레이저 처리장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. YAG레이저(101)에서 사출된 단면이 거의 원형인 레이저빔은 빔엑스팬더(102)에 의해 단면이 타원형인 콜리메이트광으로 변환된다. 이 때 타원의 장축이 x방향, 단축이 y방향이다. 빔엑스팬더(102)의 구성 및 빔의 단면형상 변환에 관해서는 후술하기로 한다.

다음에 이 빔은 사다리꼴 프리즘(103)에 입사되어 3분할 되고 각각 다른 방향으로 사출된다. 이 때 빔의 분할방향은 타원빔의 장축방향(x방향)으로 일치시킨다. 3분할된 빔은 원통렌즈(104)에 입사된다. 원통렌즈(104)는 x방향으로 직교하는 y방향으로 양의 굴절력을 갖고 있다. 여기에서 사다리꼴 프리즘(103)의 형상과 위치는 3분할된 빔이 각각 중간결상면(I101) 위에서 중합되도록 정해 둔다. 또한 원통렌즈(104)의 초점위치도 중간결상면(I101) 위에 일치시켜 둔다. 이로써 원통렌즈(104)를 출사한 빔은 각각 중간결상면(I101) 위에서 선형으로 집광되면서 서로 중합되는 선형 상을 형성한다.

중간결상면(I101)에 형성된 선형 상은 분할된 3개의 선형 상의 평균화 효과에 의해 광원(101)에서 사출된 직후의 빔(L)(이하 '원빔'이라 한다)을 직접 집광하는 경우에 비해 조도의 균일성이 높은 상이 된다. 그리고 중간결상면(I101)의 선형 상을 확대광학계(105)에 의해 유리기판 위의 피조사면(I102)에 확대투영한다. 이로써 피조사면(I102)에 조도균일성이 좋은 선형 상을 형성한다. 또한 중간결상면(I101)에 개구를 설치하면 플레어(flare)나 사다리꼴 프리즘에서의 회절의 영향을 없앨 수 있기 때문에 바람직하다.

다음에 중간결상면(I101)의 선형 상의 조도균일성에 대해 구체적, 정량적으로 설명하기로 한다.

우선 원빔을 이상적인 원통렌즈로 선형으로 집광했을 때 광의 강도분포를 도 6a 내지 도 6e에 근거하여 설명한다. 도 6a는 광축(AX)방향(z방향)에서 본 원빔을 통과시키는 개구(AP)의 단면형상을 도시한 도면이다. 개구(AP)는 직경(φ)의 원형단면을 갖고 있다. 도 6b는 개구(AP)를 통과한 원빔을 선형으로 집광했을 때의 조도분포를 나타낸 도면이다. 도 6b에 도시한 조도분포는 빔개구(AP) 위의 조도분포를 통상의 레이저와 같이 가우스 분포라고 가정하며 다음 식에서 산출된다.

여기에서 xy 좌표는 도 6a와 같이 레이저 개구(AP)면 위의 좌표이다. x방향을 선형 상의 길이방향, y방향을 선형 상의 선폭방향으로 하고 있다. 상기 식에서 알 수 있듯이 도 6b의 선형 상 위의 위치(x0)에서의 광의 강도는 도 6a의빔개구(AP) 위의 위치(x0)를 통해 y축으로 평행한 직선(LL)을 따라 개구(AP)의 범위내의 조도분포를 적분한 것과 같다. 더욱이 빔직경(φ)은 통상의 경우와 마찬가지로 광의 강도분포가 중심의 1/e²이 될 때까지의 범위로 하고 있다. 도 6b에서 알 수 있듯이 선형 상의 강도분포는 선형 상 중심(x=0)이 가장 높고 주변부로 갈수록 강도는 저하된다. 그리고 가장 끝의 주변부에서는 조도는 제로가 된다.

다음에 도 6b의 조도분포를 사다리꼴 프리즘으로 3분할한 후 선형으로 집광했을 때의 광의 조도분포에 대해 고찰하기로 한다. 이 때의 조도분포는 선형으로 집광된 빔을 3분할하고 그 후에 더 중합시킨 경우의 조도분포라고 생각할 수 있다. 그렇기 때문에 3분할된 각 빔의 조도분포는 도 6b에 도시한 조도분포를 3분할한 것과 같은 값이다. 여기에서 3분할된 빔을 각각 제1빔(L1), 제2빔(L2), 제3빔(L3)으로 한다(도 4a 참조). 이들 분할된 각 빔의 조도분포를 도 6c에 도시한다. 그리고 중간결상면(I101)에서는 각 빔(L101), (L102), (L103)이 도 6d에 도시한 바와 같이 중합된다. 그 결과 최종적인 조도분포는 도 6e에 도시한 바와 같은 형상이 된다. 도 6e에서 알 수 있듯이 중합된 후의 선형 상의 조도분포의 균일성은 매우 높다. 도 6b와 도 6e를 비교하면 중합의 효과가 매우 크다는 것을 알 수 있다. 예컨대 도 6e의 중심부(x=0)의 조도를 100%로 하면 가장 끝 주변부에서의 조도는 약 90% 정도이다.

또한 상술한 바와 같이 중간결상면(I101) 위에 형성된 선형 상은 원빔을 그대로의 상태에서 분할하지 않아 선형 상으로 집광한 경우에 비해 매우 조도균일성이 높다. 그러나 이와 같은 높은 조도균일성을 갖는 선형 상도 실제의 레이저 처리장치에 요구되는 사양을 만족하지 못하는 경우가 있다. 이 경우에는 확대광학계(105)의 모든 수차를 제어함으로써 선형 상의 중심부의 조도를 줄여 주변부의 조도를 더욱 높일 수 있다. 예컨대 확대광학계(105)의 왜곡수차를 음의 값으로 함으로써 상기 제어가 가능하다. 이에 따르면 조도균일성을 수%까지 높일 수 있다.

나아가 피조사면(I102)에서의 조도의 균일성에 장해가 되는 렌즈나 경통(鏡筒) 등에서의 불필요한 반사로 발생하는 플레어나 분할프리즘 개구에서 발생하는 플레어를 제거하기 위해 중간결상면(I101)에 조리개(미도시)를 설치하는 것이 바람직하다.

다음에 본 발명의 광학계의 결상성능에 대해 설명하기로 한다. 종래 기술에서도 설명한 바와 같이 가는 선형 상을 형성하기 위해서는 높은 결상성능이 요구되며 광학계의 모든 수차는 양호하게 보정되어 있어야 한다. 이와 같은 관점에서 보면 본 실시예에서는 중간결상면(I101)에서 선형으로 한번 집광하고 또 이것을 확대광학계(105)에서 다시 결상하고 있다. 이 광학계의 수차의 주된 발생원은 중간결상면(I101)에 광을 집광하는 원통렌즈(104)와, 그 선형 상을 다시 피조사면(I102)에 결상하는 확대광학계(105)라는 것을 알 수 있다. 그래서 이 양자의 수차보정에 대해 고찰하기로 한다. 우선 후자의 확대광학계(105)에 대해서는 통상의 투영광학계이며 광축(AX)에 대칭되는 구면렌즈로 구성된다. 그 때문에 수차를 보정함에 있어서 통상의 보정순서와 동일하게 수행하면 되므로 고도의 수차보정을 달성할 수 있다.

또한 상술한 바와 같이 확대광학계(105)의 왜곡수차를 제어함으로써 피조사면(I102)에서의 선형 상의 조도균일성을 보정하고 있다. 이 왜곡수차의 제어는 구면수차 등의 결상에 관한 수차에 비해 용이하다. 따라서 이것이 수차보정(구면수차 등의 결상에 영향을 미치는 것)을 어렵게 하는 요인은 아니다. 더욱이 가공 관점에서 보더라도 확대광학계(105)는 광축(AX)에 대칭되는 광학계이므로 종래의 가공기술을 이용하면 충분한 사양의 광학계를 얻을 수 있다.

다음에 도 4a 및 도 4b로 돌아가 원통렌즈(104)의 수차에 대해 설명하기로 한다. 원통렌즈(104)는 사다리꼴 프리즘(103)에서 3분할된 평행광속을 단순히 선형으로 집광하고 있다. 이 때문에 수차의 보정이 어렵지 않다.

원통렌즈(104)로는 입사각이 다른 3개의 광속(L101), (L102), (L103)이 입사되므로 여기에서 발생하는 수차도 당연히 입사각에 의존한다. 나아가 광축(AX)과 평행하지 않은 방향으로 진행되는 2개의 광선(L101), (L103)의 방향은 서로 광축(AX)에 대해 대칭이다. 따라서 광축(AX) 방향으로 진행되는 광속(L102)과, 또 다른 방향으로 진행되는 광속(L101)(또는 L103), 2개의 광속을 생각하면 된다.

이들 입사각에 의존하는 수차는 축대칭 광학계에서의 코마수차와 화살모양 상면의 만곡 등과 같은 것이다. 이 때문에 축대칭적인 광학계로부터의 유추에서 용이하게 입사각에 의존하는 수차를 보정할 수 있다. 또한 광학계의 칫수가 다소 커지는 것이 허용되는 경우에는 분할프리즘(103)에서 출사되는 주변부의 2개의 광속(L101), (L103)의 각도를 작게 하면 원통렌즈(104)에서 발생하는 입사각에 의존하는 수차를 더욱 작게 할 수 있다.

이상과 같이 본 실시예에서는 수차의 주된 발생원으로 생각되는 원통렌즈(104)와 확대광학계(105)에 있어서 용이하게 수차보정할 수 있기 때문에 계(系) 전체적으로 높은 결상성능을 달성할 수 있다.

나아가 본 실시예에서는 빔엑스팬더(102)를 프리즘으로 구성함으로써 광학계 전체의 수차를 줄이고 있다. 상술한 바와 같이 원통렌즈(104)에는 타원빔을 입사시키고 있다. 이로써 원통렌즈(104)에 입사하는 빔의 집광방향(y방향)의 밝기를 어둡게 함과 동시에 선형 상의 길이방향(x방향)의 광속 직경을 길게 하고 있다. 원통렌즈(104)의 집광방향(y방향)의 밝기를 크게 하면 수차가 더욱 크게 발생하므로 바람직하지 않다. 반면에 선형 상의 길이방향의 빔직경을 작게 하면 중간결상면(I101)에 형성되는 선형 상의 길이가 작아진다. 이 때문에 피조사면(I102)에서 요구되는 길이의 선형 상을 형성하기 위해 확대광학계(105)의 배율을 크게 해야만 한다. 따라서 확대광학계(105)에서의 수차가 커지므로 바람직하지 않다.

본 실시예와 같이 원빔을 타원빔으로 확대·변환하는 것은 수차를 발생시키 않는다는 면에서는 바람직하다. 일반적으로는 원형단면의 원빔을 타원빔으로 확대·변환하는 경우에 원통렌즈를 이용한다. 그러나 원통렌즈는 상술한 바와 같이 제조비용이 높고 고정밀도의 가공도 어렵다. 그래서 본 실시예에서는 프리즘 소자를 이용함으로써 수차를 발생시키지 않고 원형단면의 원빔을 타원빔으로 확대·변환시키고 있다.

도 7은 빔엑스팬더(102)의 구성을 도시한 도면이다. 빔엑스팬더(102)는 3개의 직각프리즘(108), (109), (110)을 조합시켜서 구성된다. 레이저 광원(101)으로부터의 원빔은 프리즘(108)의 면(PR1)으로 비스듬히 입사되고 면(PR2)에서 대략 수직으로 사출된다. 프리즘(108)의 면(PR2)에서 대략 수직으로 사출된 광은 프리즘(109)의 면(PR3)으로 비스듬히 입사되고 면(PR4)에서 대략 수직으로 사출된다. 프리즘(109)의 면(PR4)에서 사출된 광은 프리즘(110)의 면(PR5)으로 비스듬히 입사되고 면(PR6)에서 대략 수직으로 사출된다. 이와 같은 구성에 의해 도 8a에 도시한 바와 같은 원형의 단면형상을 갖는 원빔은 도 8b에 도시한 바와 같은 타원의 단면형상을 갖는 광으로 확대·변환된다.

또한 본 실시예에서는 원통렌즈(104)를 광축(AX)을 따라 이동하는 제1이동기구부(MV101)를 갖는 것이 바람직하다. 이로써 렌즈(103)의 위치를 바꿈으로써 디포커스시켜 선형 상의 선폭을 바꿀 수 있다는 효과를 나타낸다.

또한 본 실시예에서는 유리기판(G)을 이동하는 주사이동부(106)를 구비한다. 이로써 피조사면(피처리면)(I102) 위의 선형 빔과 피조사면(I102)을 상대적으로 이동시킬 수 있다. 따라서 유리기판(G) 위의 큰 면적의 피처리면을 고속으로 어닐링처리할 수 있다는 효과를 나타낸다.

(제4실시예)

도 5a 및 도 5b는 제4실시예에 따른 레이저 처리장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 확대광학계(105)와 피조사면(I102) 사이에 y방향으로 양(凸) 파워를 갖는 원통렌즈(107)가 새로 부가되어 있다. 기타 구성은 상기 제3실시형태와 동일하므로 동일 부분에는 동일한 부호를 붙이고 중복되는 설명은 생략한다. 이와 같은 배치 때문에 선형 상의 선폭방향의 결상관계는 상기 제3실시예와 다르며 중간결상면(I101)과 피조사면(I102)는 더 이상 짝이 아니다. 그 때문에 피조사면(I102) 위에 빔을 선형으로 집광하기 때문에 원통렌즈(104)를 광축(AX) 방향으로 이동시키고, 그 초점거리를 중간결상면(I101)에서 도 8b 중의 면(I112)으로 이동시키고 있다. 여기에서 면(I112)의 위치는 선폭방향(y방향)에서 보면 피조사면(I102)과 짝의 위치이다. 이 구성에 의해 원통렌즈(104)와 확대광학계(105)가 형성한 선형 상은 선폭방향 만큼 원통렌즈(107)에 의해 축소되어 있다. 그 결과 수차도 축소되어 보다 가는 선형 상을 피조사면(I102)에 형성할 수 있다.

또한 상기 구성은 레이저 광의 파면의 요동이나 사출방향의 요동 등에 대해서도 매우 유효하다. 일반적으로 레이저 광원으로부터는 평행광이 일정 방향으로 사출된다고 생각된다. 그러나 실제로는 레이저 광원으로부터의 광은 완전한 평행광은 아니다. 나아가 발진되는 방향으로도 시간적인 불균일이 있다. 그리고 이 때문에 피조사면(I102)에서는 선형 상의 폭이 넓어지거나 또는 전체 상의 위치가 피조사면(I102) 위에서 움직이는 일이 발생한다. 이들 피조사면(I102)에서의 수차에 상당하는 양은 레이저 광원의 개구(AP)에서 피조사면(I102)까지의 선형 상의 선폭 방향의 광학계의 초점거리를 f, 레이저 광원(101)으로부터의 원빔의 파면의 슬로프에러를 θ라 하면 f ×θ가 된다. 또한 빔 사출방향의 불균일을 θ로 한 경우에도 그 수차량은 f ×θ가 된다. 이와 같이 공히 초점거리(f)에 비례한다. 이 때문에 선폭방향(y방향)의 초점거리는 짧은 것이 바람직하다.

상기 제3실시예의 구성의 경우에 초점거리를 짧게 하기 위해 확대광학계(105)의 광학 파라미터를 변경하면 선형 상의 길이도 동시에 달라진다.이 때문에 원통렌즈(104)의 초점거리나 위치를 변화시킴으로써 전계(全系)의 초점거리를 짧아지게 한다. 원통렌즈(104)의 초점거리를 짧게 하는 경우에는 이 원통렌즈(104)의 개구수(NA)가 커지며 또 동시에 확대광학계(105)에 입사되는 광의 개구수(NA)도 커진다. 이것은 큰 수차 발생의 원인이 된다. 그래서 본 실시예에서는 확대광학계(105)의 피조사면(I102) 쪽에 다른 원통렌즈(107)를 추가하고 선형 상의 선폭방향(y방향)의 초점거리를 짧게 하고 있다. 이 구성에 의해 더 우수한 결상성능을 지닌 광학계를 제공할 수 있다.

또한 본 실시예에서는 원통렌즈(104)를 광축(AX)을 따라 이동시키는 제1이동기구부(MV101)에 더해 원통렌즈(107)를 광축(AX)을 따라 이동시키는 제2이동기구부(MV102)를 갖는 것이 바람직하다. 이로써 각 렌즈(104), (107)의 위치를 바꿈으로써 디포커스시켜서 선형 상의 선폭을 바꿀 수 있다는 효과를 나타낸다. 더욱이 어떤 렌즈를 이동시켜도 상관없다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 우수한 결상성능을 가지며 조도균일성이 좋고 가는 선폭의 큰 어스펙트비의 선형 빔을 조사할 수 있는 조명광학계를 제공할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 저비용에 제조가 용이하고 대면적을 고속으로 처리할 수 있는 레이저 처리장치를 제공할 수 있다.

Claims (14)

1. 레이저 광원으로부터의 조사빔의 직경을 확대하는 무한초점의 빔엑스팬더계와, 적어도 제1방향에 대략 직교하는 제2방향으로 굴절력을 가지며 상기 빔엑스팬더계로부터의 조사빔을 상기 제1방향으로 길이방향을 갖는 선형 빔으로 결상하는 선형 빔 형성렌즈계와, 상기 제1방향을 따라 배열된 복수의 요소렌즈를 갖는 렌즈어레이부와, 상기 선형 빔의 상기 각 요소렌즈마다의 상을 피처리면에 중합시켜서 조사하는 콘덴서 광학계를 갖는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
2. 제1항에 있어서, 상기 선형 빔 형성렌즈계는 상기 제2방향으로 양의 굴절력을 갖는 원통렌즈인 것을 특징으로 하는 조명광학계.
3. 제2항에 있어서, 상기 원통렌즈와 상기 렌즈어레이부와 상기 콘덴서 광학계 중 적어도 하나를 광축을 따라 이동 가능한 것을 특징으로 하는 조명광학계.
4. 제1항에 있어서, 상기 렌즈어레이부는 적어도 제1서브어레이부와 제2서브어레이부를 구비하며 상기 요소렌즈는 회전대칭인 렌즈이며 상기 제1서브어레이부와 상기 제2서브어레이부는 상기 각 서브어레이부에 대응하는 상기 각 요소렌즈의 광축끼리 거의 일치하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
5. 제1항에 있어서, 상기 콘덴서 광학계는 상기 피처리면 쪽에 상기 제2방향으로 양의 굴절력을 갖는 다른 원통렌즈를 갖는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
6. 레이저광을 공급하는 레이저광원과, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 조명광학계와, 상기 피처리면 위의 선형 빔과 상기 피처리면을 상대적으로 이동하는 주사이동부를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 처리장치.
7. 레이저 광원으로부터의 조사빔을 제1방향에 대해 복수의 조사빔으로 분할하고 소정 면 위에서 중합시키는 프리즘 부재와, 적어도 상기 제1방향에 대략 직교하는 제2방향으로 굴절력을 가지며 상기 분할된 복수의 조사빔을 상기 제1방향으로 길이방향을 갖는 선형 빔으로 결상하는 선형 빔 형성렌즈계와, 상기 선형 빔을 상기 제1방향으로 확대하여 피처리면 위에 조사하는 확대광학계를 갖는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
8. 제7항에 있어서, 상기 프리즘 부재는 사다리형 프리즘이며 해당 사다리형 프리즘에 의해 분할된 상기 복수의 조사빔이 중합되는 상기 소정면의 위치와, 상기 선형 빔 형성렌즈계의 상기 제2방향의 초점위치가 대략 일치되어 있는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
9. 제7항에 있어서, 상기 확대광학계는 광축에 대해 회전대칭인 광학계인 것을특징으로 하는 조명광학계.
10. 제7항에 있어서, 상기 선형 빔 형성렌즈계는 상기 제2방향으로 양의 굴절력을 갖는 제1원통렌즈인 것을 특징으로 하는 조명광학계.
11. 제7항에 있어서, 상기 확대광학계는 상기 피처리면 측에 상기 제2방향으로 양의 굴절력을 갖는 제2원통렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1원통렌즈와 상기 제2원통렌즈 중 적어도 하나는 상기 광축을 따라 이동 가능한 것을 특징으로 하는 조명광학계.
13. 제7항에 있어서, 상기 레이저 광원으로부터의 조사빔 직경을 상기 제2방향보다 상기 제1방향으로 크게 확대하는 빔엑스팬더계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
14. 레이저광을 공급하는 레이저 광원과, 제7항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 조명광학계와, 상기 피처리면 위의 선형 빔과 상기 피처리면을 상대적으로 이동하는 주사이동부를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 처리장치.