KR20080039449A

KR20080039449A - 선 초점을 생성하기 위한 광학 시스템, 그러한 광학시스템을 이용하는 스캐닝 시스템, 및 기판의 레이저 공정방법

Info

Publication number: KR20080039449A
Application number: KR1020087004868A
Authority: KR
Inventors: 알로이스 헤르코메르; 홀거 뮌츠; 홀거 키에리; 마리 미셸 르; 버나드 베이글
Original assignee: 칼 짜이스 레이저 옵틱스 게엠베하
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2006-07-22
Publication date: 2008-05-07
Also published as: WO2007014662A1; JP2009503593A

Abstract

기판의 표면상에 입력 광 빔으로부터 선 초점을 생성하기 위한 광학 시스템은, 전파 방향으로 전파하는 입력 광 빔을 방사하는 광원으로서, 이 입력 광 빔은 전파 방향을 가로지르는 제1 차원으로의 확장, 및 제1 차원 및 전파 방향을 가로지르는 제2 차원으로의 확장을 갖는 것인, 광원, 제1 차원으로 입력 광 빔을 확장하는 적어도 하나의 빔 확장 광소자, 제2 차원의 입력 광 빔을 표면상의 선 초점에 집속하도록 제2 차원으로 구부러진 적어도 하나의 집속 광소자, 및 선 초점이 직선이고 적어도 대략 선 초점의 전체 거리에 걸쳐 기판상의 평편한 초점면에 놓이도록 선 초점을 평편하게 하는 적어도 하나의 보정 광소자를 포함한다.

Description

선 초점을 생성하기 위한 광학 시스템, 그러한 광학 시스템을 이용하는 스캐닝 시스템, 및 기판의 레이저 공정 방법{OPTICAL SYSTEM FOR CREATING A LINE FOCUS SCANNING SYSTEM USING SUCH OPTICAL SYSTEM AND METHOD FOR LASER PROCESSING OF A SUBSTRATE}

본 발명은 기판상에 광 빔의 선 초점(line focus)을 생성하기 위한 광학 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 기판상에 스캐닝 빔 초점을 만들기 위한 스캐닝 시스템에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 기판의 레이저 공정 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 예를 들어, 큰 기판의 어닐링(annealing), 기판의 레이저 유도된 결정화(crystallisation) 분야, 평판 디스플레이(FPD) 또는 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이 제조 공정 분야에서 유용하다.

본 명세서 및 청구항에서 사용되는 "선 초점(line focus)"이라는 용어는 빔의 전파 방향에 직각인 빔의 2개의 측면 차원 사이에 큰 종횡비(aspect ratio)를 갖는 빔 모양으로 이해된다. 특별한 경우에, 이와 같은 종횡비는 100보다 클 수 있다.

예를 들어, 큰 기판의 실리콘 어닐링에서 사용되는 선 초점 또는 선 빔을 생성하는, 미국 특허 제 5,721,416호에 기재된 종래 기술을 따르는 광학 시스템은, 집속(focusing) 광소자로서 원통형 렌즈를 포함하는 굴절 광학 시스템을 사용한다.

현재의 광학 시스템에서, 예를 들어, 200mm인 선 초점 거리와, 예를 들어, 1mm인 선 초점의 너비의 전형적인 비율은 약 100-200이다. 그러나, 몇몇 응용분야에서는, 선 초점 거리와 너비의 비율이 600-10,000까지 증가하도록 매우 가늘고(<0.05 mm) 긴(>300 mm) 선 초점을 갖는 것이 바람직하다.

그러나, 선 초점의 너비가 감소되면, 특히, 보우-타이(bow-tie) 에러라고도 불리는 굴절 원통형 시스템의 수차가 관찰되고, 이는 보상될 필요가 있다. 후속하여, 종래 기술을 따르는 선 초점을 생성하기 위한 광학 시스템에 관한 단점들이 더 상세히 설명될 것이다.

도 1 내지 도 3에는 종래 기술을 따라 기판의 표면상에 광 빔의 선 초점을 생성하기 위한 광학 시스템이 도시되어 있다.

레이저 소스는 보통 더 많거나 또는 더 적은 정방형 또는 원형 단면을 갖는 직경 D의 입력 광 빔(10)을 전달한다. 입력 광 빔(10)으로부터 길고 가는 선 빔 또는 선 초점을 생성하기 위해, 광학 시스템은, 도1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 광 빔(10)의 전파 방향을 가로지르는 1 차원(이후에는 x 방향으로 부른다)으로 광 빔(10)을 확장하고, 제1 차원을 가로지를 뿐 아니라 전파 방향(이후에 z 방향으로 부른다)도 가로지르는 제2 차원(이후에 y 방향으로 부른다)으로 입력 광 빔(10)을 집속하는 것이 요구된다. 도 1에는 광 빔(10)이 yz-평면으로, 도 2에는 xz-평면으 로 도시되고, 도 3에는 입력 광 빔(10)의 사시도가 도시되어 있다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은 광학 시스템은, 예컨대, 상기 언급한 미국 특허 5,721,416에 기재되어 있다.

yz-평면에서 집속(focusing)이 수행되는 반면, 빔 확장은 xz-평면에서 수행된다.

입력 광 빔(10)의 집속은 보통 원통형 렌즈(12)에 의해 행해진다. 최소 성취 가능한 선 너비 W는 렌즈(12)의 f넘버(f-number) f#과 관련있다. 최소(회절 제한된) 선 너비 W는 곱, W = 2f# ·λ로 주어지고, 여기서 λ는 입력 광 빔(10)의 동작 파장이다. 따라서, 작은 f넘버(f#<20)는 매우 가는 선 초점들이다. 렌즈(12)의 x방향 초점 거리 f_x는 입력 빔 직경 D에서 f_x = D·f#까지 이다. 예를 들어, 직경 D = 20 mm의 입력 빔(10)은 약 f_x<400 mm의 초점 거리를 요구한다. 따라서, 렌즈(12)와 선 초점이 형성될 기판 사이의 거리는, 통상 작은 거리로 제한된다.

도 2에 도시된 바와 같이 x 방향으로의 입력 광 빔(10)의 확장은 보통 빔 발산 광소자 또는 빔 확장 소자(14)에 의해 생성된다. 예를 들어, 확장 소자(14)는 음화 원통형 렌즈, 원통형 렌즈 어레이, 회절 광소자, 또는 1 차원 디퓨저(diffuser)일 수 있다.

선 초점이 시간의 함수로서 스캐닝될 수 있도록, 전체 입력 빔을 확장하는 대신, 빔은 고속 조향 미러(예, 갈보-미러(galvo-mirror))에 의해서도 반사될 수 있다. 그러나, 시간 평균에서, 스캐닝 미러는 소자(14)와 동일한 기능을 제공할 것 이다.

모든 이런 상술한 소자들은, 도입 각 ω (도 2 참조)가 작다면(대략 아주 작은 각), 보다 용이하게 제조되고 더 적은 수차를 도입하게 된다. 그럼에도 불구하고, 입력 빔 직경 D에 수배에 달하는 거리 L의 긴 선 초점 F를 얻기 위해서는, L = D + 2·Δz ·tan(ω)이므로, 확장 소자(14)와 기판 S와의 거리 Δz는 통상적으로 크다. 결과적으로, 확장 또는 발산 소자(14)는, 광 빔(10)의 전파 방향 (양의 z방향)에서 볼 때, 집속 소자(12) 앞에 위치한다.

이어서, 이는, x 방향의 입력 광 빔의 에지에 있는 광선들, 즉, 가장자리 광선들(16 및 18)(도 3 참조)이 x 방향의 논제로 각 ω로 집속 소자(12)에 입사한다는 것을 암시한다. 그러나, 렌즈(12)와 같은 원통형 렌즈가 y방향인 집속 방향에 직각인 입사각 ω, 즉, 도 3의 각 θ 하에서 사용된다면, 렌즈(12) 뒤에 있는 결과 굴적각 θ'과 연관되는 후면 초점 거리는 ω에 의존할 것이다. 이는 굴절의 법칙을 지배하는 사인 함수의 비선형성에 때문이다. 굴절의 법칙은 다음과 같다:

nㆍsin (i)=n'ㆍsin (i')

여기서 i와 i'는 각각 총 입사각, 즉, 각각 ω와 θ의 결합, ω'와 θ의 결합이다.

결과적으로, 입력 광 빔(10)이 집속되는 평면은 편평하지 않고 구부러질(curved) 것이다. 기판 S가 통상적으로 편평하기 때문에 이는 바람직하지 않다. 특히, 날카로운 초점은 중심 광선에 대한 초점보다 입력 광 빔(10)의 가장자리 광선들(16, 18)에 대해 렌즈(12)에 더 가까울 것이다. 다시 말하면, 입력 광 빔(10) 은 x 방향의 기판 S상의 빔의 에지에서 초점에 벗어날 것이다. 이런 상황이 도 5에 도시되어 있다. 도 4에 도시된 기판 S상의 빔 영역(footprint)이 나비 넥타이 모양을 갖기 때문에, 발생된 수차를 보통 보우 타이 에러라고 부른다.

따라서, 앞서 언급한 단점들을 극복하는 선 초점을 생성하기 위한 광학 시스템, 특히, 보우 타이 에러를 나타내지 않는 광학 시스템이 필요하다.

본 발명의 목적은, 가능한 한 수차로부터 자유로운, 특히, 보우 타이 에러를 나타내지 않는, 기판의 표면상에 입력 광 빔으로부터의 선 초점을 생성하기 위한 광학 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 상술한 목적을 달성하는, 기판의 표면상에 스캐닝 빔 초점을 생성하기 위한 스캐닝 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 기판을 가능한 한 수차로부터 자유로운 선 빔 또는 선 초점으로 기판을 레이저 공정하는 방법을 제공하는 것이다.

이런 목적 및 다른 목적들은, 기판의 표면상에 입력 광 빔으로부터의 선 초점을 생성하기 위한 광학 시스템에 의해, 본 발명의 제1 측면을 따라 달성되는데, 이 광학 시스템은, 전파 방향으로 전파하는 입력 광 빔을 방사하는 광원으로서, 상기 입력 광 빔은 상기 전파 방향을 가로지르는 제1 차원으로의 확장, 및 상기 제1 차원 및 상기 전파 방향을 가로지르는 제2 차원으로의 확장을 갖는 것인, 광원,

상기 입력 광 빔을 상기 제1 차원으로 확장하기 위한 적어도 하나의 빔 확장 광소자,

상기 제2 차원의 상기 입력 광 빔을 상기 표면상의 상기 선 초점으로 집속하도록, 제2 차원으로 구부러진 적어도 하나의 집속 광소자, 및

상기 선 초점이 직선이고, 적어도 대략 상기 선 초점의 전체 거리에 걸쳐 상기 표면상의 평편한 초점면에 놓이도록 상기 선 초점을 평편하게 하는 적어도 하나의 보정 광소자를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 기판상에 스캐닝 빔 초점을 생성하기 위한 스캐닝 시스템이 제공되는데, 이 시스템은, 전파 방향으로 전파하는 입력 광 빔을 방사하는 광원으로서, 상기 입력 광 빔은 전파 방향을 가로지르는 제1 차원으로의 확장, 및 상기 제1 차원 및 상기 전파 방향을 가로지르는 제2 차원으로의 확장을 갖는 것인, 광원,

상기 입력 광 빔을 상기 제1 차원으로 확장하는 적어도 하나의 빔 확장 광소자,

상기 제2 차원의 입력 광 빔을 상기 평편한 표면상의 상기 선 초점으로 집속하도록, 상기 제2 차원으로 구부러진 적어도 하나의 집속 광소자, 및

본 발명의 또 다른 측면에 따라, 전파 방향으로 전파하는 입력 광 빔을 방사하는 광원으로서, 상기 입력 광 빔은 전파 방향을 가로지르는 제1 차원으로의 확장, 및 상기 제1 차원 및 상기 전파 방향을 가로지르는 제2 차원으로의 확장을 갖는 것인, 광원,

상기 제2 차원의 상기 입력 광 빔을 상기 평편한 표면상의 상기 선 초점으로 집속하도록, 상기 제2 차원으로 구부러진 적어도 하나의 집속 광소자, 및

상기 선 초점이 직선이고, 적어도 대략 상기 선 초점의 전체 거리에 걸쳐 상기 표면상의 평편한 초점면에 놓이도록 상기 선 초점을 평편하게 하는 적어도 하나의 보정 광소자를 이용하는, 기판의 레이저 공정을 위한 방법이 제공된다.

본 발명의 실시예들은 도면에 도시되어 있고, 이 도면들을 참조하여 이후에 더 상세히 기술될 것이다.

도 1은 종래 기술에 따라 선 초점을 생성하기 위한 광학 시스템의 yz-평면도;

도 2는 도 1의 광학 시스템의 xz-평면도;

도 3은 도 1 및 도 2의 광학 시스템의 사시도;

도 4는 도 1 내지 도 3의 광학 시스템에 의해 생성된 바와 같은, 기판의 표면상의 선 초점의 빔 영역을 도시한 도면;

도 5는 도 1 내지 도 3의 광학 시스템에 의해 생성된 바와 같은, xz-평면의 초점 선을 도시한 그래프;

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학 시스템의 xz-평면도;

도 7은 도 6의 광학 시스템에 의해 얻어진 기판의 표면상의 선 초점의 빔 영역을 도시한 도면;

도 8은 도 6의 광학 시스템에 의해 생성된 선 초점의 xz-평면의 그래프;

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 시스템의 xz-평면도;

도 10은 도 9의 광학 시스템의 사시도;

도 11은 본 발명의 다른 측면을 묘사하기 위한 광학 시스템의 또 다른 실시예의 yz-평면도;

도 12는 도 11의 광학 시스템에 의해 얻어진 xz-평면 선 초점을 도시한 그래프;

도 13은 도 11의 광학 시스템에 대해 향상된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 시스템의 yz-평면도; 및

도 14는 도 13의 광학 시스템의 xz-평면도이다.

후속하여, 기판상에 광 빔의 선 초점을 생성하기 위한 광학 시스템의 바람직한 실시예들이 기술된다.

본 발명에 따라 기판 표면상에 입력 광 빔으로부터 선 초점을 생성하기 위한 광학 시스템은 일반적으로 입력 광 빔을 방사하는 광원을 포함한다. 이 입력 광 빔은 전파 방향으로 전파하고, 전파 방향을 가로지르는 제1 차원으로의 확장, 및 제1 차원 및 전파 방향을 가로지르는 제2 차원으로의 확장을 갖는다.

적어도 하나의 빔 확장 광소자가 제1 차원으로 입력 광 빔을 확장시키기 위 해 제공된다.

또한, 제2 차원의 입력 광 빔을 기판 표면상의 선 초점 또는 선 빔으로 집속하도록, 제2 차원으로 구부러진(curved) 적어도 하나의 집속 광소자가 제공된다.

이후에 더 상세히 기술될 본 발명에 따른 광학 시스템의 실시예들은, 선 초점이 직선이고, 적어도 대략 선 초점의 전체 길이에 걸쳐 기판의 표면상의 편평한 초점면에 놓이도록 선 초점을 편평하게 하기 위해 제공되는 적어도 하나의 보정 광소자를 공통으로 갖는다.

제1 유형의 실시예에서, 적어도 하나의 보정 광소자는 적어도 하나의 집속 소자와 기판 표면 사이에 위치하고, 입력 광 빔의 집속 소자로의 비스듬한 입사에 의해 발생되는 선 초점의 수차를 보상하기 위해 부배율(negative power)을 갖는다. 바람직하게, 적어도 하나의 보정 광소자는, 이런 경우의 입력 광 빔의 전파 방향에서 보이는 기판의 표면 앞에 있는 마지막 광소자이다. 보정 광 "소자"는 대게 표면, 특히, 집속 렌즈의 광 출구 표면이 될 수 있다.

보정 광소자는 제1 차원 또는 제2 차원에, 또는 필요하다면 제1 차원 및 제2 차원 양자 모두에 부배율을 가질 수 있다.

다른 유형의 실시예에서, 적어도 하나의 보정 광소자는, 적어도 하나의 집속 광소자 앞에 위치하고, 입력 광 빔이 적어도 하나의 집속 광소자 상에 적어도 대략 직각으로 입사하도록 입력 광 빔을 시준하는 시준(collimating) 광소자이다. 도 1 내지 도 5를 참조하여 상술한 바와 같이, 보우 타이 에러는 입력 광 빔의 집속 광소자로 비스듬히 입사하여 집속 광소자를 통과함으로써 발생된다. 입력 광 빔이 집 속 광소자 상에 입사하기 전 입력 광 빔을 시준함으로써, 이러한 비스듬한 입사를 피하고, 따라서 보우 타이 에러와 같은 수차도 피하게 된다.

이런 경우, 적어도 하나의 보정 광소자는, 입력 광 빔을 제1 차원 또는 제2 차원에 시준하도록 설계되거나, 바람직하게는, 필요하다면, 입력 광 빔이 제1 차원뿐만 아니라 제2 차원에도 직각으로 입사하도록 입력 광 빔을 제1 차원 및 제2 차원에 시준하도록 설계될 수 있다.

이후에 설명될 추가 바람직한 실시예에서, 광학 시스템은 기판과 광원 사이에 중간 초점을 생성하도록 설계될 수 있다. 이러한 광학 시스템에 중간 초점을 제공하는 것이 바람직한 이유는, 광원으로부터 방사된 입력 광 빔이 종종 시준되지 않고, 수렴되거나 발산되기 때문이다. 입력 광 빔은 종종 회절 제한되지 않고, 몇몇 고유의 빔 발산(divergence)을 가질 수 있다. 이와 같은 비 회절 제한된 빔을 집속하는 것은 곱으로 주어진 최소(회절 제한된) 선 너비, W = 2ㆍf#ㆍλ로 귀결되지만, 제한된 빔 품질 때문에 값은 더 커질 것이다. 따라서, 중간 위치에 빔을 집속하고, 제1 차원 및 제2 차원 중 적어도 하나에 입력 광 빔의 날카로운 에지를 생성하기 위해 중간 초점 영역에 배열되는 마스크(조리개)를 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같은 조리개(마스크)는 예컨대 직사각형 모양의 슬릿을 가질 수 있다.

광학 시스템에서, 제2 차원에 중간 초점을 생성함으로써, 제2 차원의 기판상에 입력 광 빔을 집속하는 집속 광소자 상에 입력 광 빔이 비스듬히 입사하여, 보우 타이 에러 형태의 수차가 다시 발생할 것이다.

따라서, 이 문제를 해결하기 위해, 중간 초점을 생성하는 추가 집속 광소자는, 제2 차원에 입력 광 빔을 시준하기 위해 (입력 광 빔의 전파 방향에서 볼 때) 중간 초점 뒤에 배열된 추가 시준 광소자를 할당받는다. 따라서, 입력 광 빔은 기판 표면상에 입력 광 빔을 집속하는 집속 광소자 상에 제 2차원에도 적어도 대략 직각으로 입사함으로써, 비스듬한 입사 및 그러한 비스듬한 입사에 의해 발생하는 수차를 피할 수 있다.

바람직하게, 중간 초점을 생성하는 추가 집속 광소자, 및 추가 시준 광소자가, 어포컬(afocal) 망원경을, 예컨대, 애너모픽(anamorphic) 케플러 망원경 형태로 형성하도록 추가로 배열될 수 있다. "어포컬"이란, 추가 집속 광소자 및 추가 시준 광소자의 초점 거리가 서로 다른 것을 의미하는데, 그 차이는, 1-차원 빔 확장기 또는 압축기를 형성하는데 사용될 수 있고, 따라서 입력 광 빔의 크기를 광학 시스템에 요구되는 크기로 적합화하기 위해 입력 레이저 빔을 확장 또는 압축시키는데 동시에 사용될 수 있다.

상술한 모든 유형의 실시예에서, 적어도 하나의 빔 확장 광소자는 고속 조향 미러, 예를 들어, 갈보 미러(galvo-mirror), 또는 바람직하게는, 음화 원통형 렌즈, 원통형 렌즈 어레이, 회절 소자, 또는 1-차원 디퓨저일 수 있다.

또한, 적어도 하나의 집속 광소자는 원통형 렌즈일 수 있고, 앞서 언급한 추가 집속 광소자 또한 원통형 렌즈일 수 있다.

본 발명에 따른 광학 시스템은 굴절 소자만을 사용하거나, 또는 굴절 소자와 반사 소자의 조합을 사용할 수 있다. 굴절 소자는 플루오르화 칼슘(CaFa)을 포함할 수 있다.

또한, 입력 광 빔은, 포함하고 있는 광의 파장에 대해, 선 초점으로 처리될 기판의 흡수 계수가 크도록 선택되는 파장의 광을 포함할 수 있다.

기판 그 자체는 반도체 필름을 포함할 수 있고, 또는 예컨대, 아모퍼스 실리콘을 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 광학 시스템에 사용된 광원은 50 W 보다 큰 광 출력을 제공하는 고출력 레이저이다.

상술한 경우에서, 보우 타이 에러를 보정하는 것은, 입력 광 빔을 기판의 표면상에 직각으로 집속하는 집속 광소자 상에 그 입력 광 빔을 입사시키기는 원리에 기초하고, 본 발명의 광학 시스템의 추가 이점으로서, 선 초점은, 종종 요구되는 것처럼 기판의 표면상에 텔레센트릭(telecentric)된다. "텔레센트릭"이란, 빛이 기판의 표면상에도 직각으로 입사하는 것을 의미한다.

앞서 사용된 "선 초점"이란 용어는 본 명세서에서 앞으로 사용되는 한, 일반적으로 빔 모양은, 광 빔의 전파 방향을 가로지르는 광 빔의 2개의 수평 차원 사이의 큰 종횡비를 갖는 것으로 설명된다. 특히, 상술한 종횡비는 100보다 크다.

"원통형 광소자"란 용어가 본 명세서에서 앞으로 사용되는 한, 이 용어는 명료함을 목적으로 사용되고, 광 빔의 전파 방향을 가로지르는 1차원에서는 구면일 필요는 없으나 제1 차원 및 광 빔의 전파 방향을 가로지르는 다른 차원에서는 실질적으로 곡면을 갖지 않도록 일부만 곡면인 표면을 갖는 모든 형태의 광소자(렌즈 및 미러)를 포함한다. 원칙적으로 "원통형 광소자"란 용어는, 비구면의 곡면을 갖 는 광소자(렌즈 및 미러)도 포함한다. 본 발명에서, "원통형 광소자"의 곡면의 특정 모양은 포물선형, 타원형, 또는 비구면 모양이고, 이는 다항식 표면 또는 뿔면으로 묘사될 수 있다.

도 6을 참조해보면, 입력 광 빔(22)의 선 초점 F를 기판의 표면 S에 생성하기 위한 광학 시스템(20)이 도시되어 있다.

입력 광 빔(22)은, 도 6에서 z-방향인 전파 방향으로 입력 광 빔(22)을 방사하는 광원(24)에 의해 방사된다. 입력 광 빔(22)은 도 6에서 x-방향이고 광 빔(22)의 전파 방향을 가로지르는 제1 차원으로의 확장, 및 도 6에서 y-방향이고, 제1 차원 및 입력 광 빔(22)의 전파 방향을 가로지르는 제2 차원으로의 확장을 갖는다. 광원(24)에 의해 방사되는 것처럼 입력 광 빔(22)의 단면의 모양은 정방형일 수 있지만, 예를 들어, 원형, 타원형, 직사각형 또는 임의의 다른 모양의 상이한 모양을 가질 수도 있다.

광학 시스템(20)은 입력 광 빔(22)을 제1 차원, 즉, x-방향으로 확장하기 위한 빔 확장 광소자(26)를 추가로 포함한다. 빔 확장 광소자(26)는, 예를 들어, 음화 원통형 렌즈이다.

광학 시스템(20)은 입력 광 빔(22)을 확장 후에 기판의 표면 S상의 선 초점 F에 집속시키기는 집속 광소자(28)를 추가로 포함한다. 이 집속 광소자(28)는, 예를 들어, y-방향으로 정배율(positive power)을 갖는 원통형 렌즈이다.

도 6에서 볼 수 있는 것처럼, 확장 후의 입력 광 빔(22)은 입력 광 빔(22)의 중앙부(30)에서만 집속 광소자(28)에 직각으로 입사하고, 입력 광 빔(22)의 에지 또는 가장자리 광선(32, 34)은 집속 광소자(28)에 중앙부(30)로부터 가장자리 광선(32, 34)으로 갈수록 경사지게 비스듬히 입사한다. 에지 영역에서의 입력 광 빔(22)의 비스듬한 입사는 통상적으로 도 4에 도시된 바와 같이 빔 영역(footprint)의 확장을 가져오고, 이는 도 5에 도시된 바와 같이, 초점면 또는 선 초점 F의 곡면과 같은 결과를 가져온다. 선 초점 F의 곡면을 보상하기 위해, 보정 광소자(36)는, 기판의 표면 S와 집속 광소자(28) 사이에 위치되고, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 기판의 표면 S상의 선 초점 F를 직선으로 만들기 위해 부배율(negative power)을 갖는다.

도 9 및 도 10에는 본 발명에 따른 광학 시스템(40)의 다른 실시예가 도시되어 있다.

도 6에 도시된 실시예와 유사하게, 광학 시스템(40)은, z-방향으로 전파하는 입력 광 빔(42)을 방사하는 광원(44), 입력 광 빔(42)을 x-방향으로 확장하는 빔 확장 광소자(46), 및 확장된 입력 광 빔(42)을 y-방향으로 집속하는 집속 광소자(48)를 포함한다.

광학 시스템(40)은 입력 광 빔(42)의 전파 방향에서 볼 때, 집속 광소자(48) 앞에 배열되는 시준 광소자로서 구성되는 보정 광소자(50)를 추가로 포함한다. 시준 광소자(50)는 입력 광 빔(42)이 입력 광 빔(42)의 x-방향으로의 전체 확장에 걸쳐, 집속 광소자(48) 상에 직각으로 입사하도록, 확장된 입력 광 빔(42)을 시준한다. 따라서, 이 간단한 실시예에서, 시준 광소자(50)는 입력 광 빔(42)을 x-방향으로 시준한다. 따라서, 도 2의 각 ω는 0이고, 스넬의 굴절의 법칙은 더 이상 각 ω 에 의존하지 않는다.

따라서, 선 초점 F의 빔 영역은 도 7에 도시된 바와 동일하도록, 기판의 표면 S상의 선 초점 F는 직선이고, 한 평면에 놓인다.

광학 시스템(40)의 추가 이점은, 집속된 후의 입력 광 빔(42)이 기판의 표면 S에도 직각으로 입사하여, 광학 시스템(40)이 텔레센트릭 광학 시스템이 되도록 한다는 것이다.

선 초점 F는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 선 초점의 전체 거리에 대하여 균일한 가는 선이다.

도 11에는 또 다른 광학 시스템(60)이 도시되어 있다. 이 광학 시스템(60)은 입력 광 빔(62)을 방사하는 광원(64), 입력 광 빔(62)을 x-방향으로 확장하는 빔 확장 광소자(66), y-방향의 입력 광 빔(62)을 기판의 표면 S상에 집속하는 집속 광소자(68), 및 입력 광 빔(62)을 x-방향으로 확장한 후, x-방향으로 시준하는 시준 광소자 형태의 보정 광소자(70)를 포함한다.

광학 시스템(60)은, 중간 초점면에 중간 초점 F_I를 생성하기 위해, 인입하는 입력 광 빔(62)을 y-방향으로 집속하는 추가 집속 소자(72)를 포함한다. 조리개(76)를 갖는 마스크(74)는, 이미 상술한 바와 같이, 선 초점 F의 날카로운 에지 또는 날카로운 선을 생성하기 위해, 중간 초점 F_I에, 또는 그 부근에 배열된다. 조리개(76)는, 예를 들어, 직사각형 모양의 슬릿으로서 구성되어, x-방향 및 y-방향으로 입력 광 빔(62)의 날카로운 에지를 생성한다.

추가 집속 소자(72)는 도 11에 도시된 바와 같이, y-방향으로 입력 광 빔(62)을 집속한다.

중간 초점 F_I때문에, 입력 광 빔(62)은 빔 확장 광소자(66)를 통과하고 시준 광소자(70)를 통과하면서 y-방향의 비스듬한 입사각을 갖는다(도 3에서 θ로 표시됨). 따라서, 입력 광 빔(62)이 기판의 표면 S상에 집속하는 평면은, 도 12에 도시된 바와 같이, 다시 구부러져 원하는 대로 평편해지지 않을 것이다. 선 초점 구부러짐의 효과는, 도 1 내지 도 3의 경우에서와 같은 입력 광 빔의 x-방향으로의 비스듬한 입사 효과만큼 중요하지는 않지만, 선 초점 F의 방해요인으로서 간주될 만큼 충분히 클 것이다.

도 11의 광학 시스템(60)에 대해 발생하는 문제들을 해결하는 또 다른 광학 시스템(80)이 도 13 및 도 14에 도시되어 있다.

광학 시스템(80)은 입력 광 빔(82)을 방사하는 광원, 입력 광 빔(82)을 x-방향으로 확장하는 빔 확장 광소자(86), 확장된 입력 광 빔(82)을 기판의 표면 S상에 집속하는 집속 광소자(88), 확장된 입력 광 빔(82)을 x-방향으로 시준하는 시준 광소자(90), 중간 초점면에 중간 초점 F_I를 생성하는 추가 집속 광소자(92), 중간 초점 F_I에 배열된 조리개(96)를 갖는 마스크(94)를 포함한다.

추가 집속 광소자(92)는, 입력 광 빔(82)의 전파 방향에서 볼 때, 중간 초점 F_I의 뒤에, 그리고 빔 확장 광소자(86) 앞에 배열되는 추가 시준 광소자(98)를 할당받는다. 추가 시준 광소자(98)는 입력 광 빔(82)을 y-방향으로 시준하여, 그 입력 광 빔(82)이 y-방향으로 집속 광소자(88) 상에 논제로 각으로 입사하는 것을 피한다. 따라서, 광학 시스템(80)은, 모든 원통형 광소자들(86 및 88)에 대해, 입력 광 빔(82)이 x-방향 및 y-방향으로, 넌제로 각이 아닌 각, 즉, 각 소자(86 및 88)의 집속 방향에 직각인 각으로 그 소자들(86 및 88)에 들어가도록 설계된다, 달리 표현하면, 입력 광 빔(82)은 항상 배율(집속된) 방향(powered direction)에 직각인 방향으로 시준된다.

광학 시스템(80)은 보우 타이 수차에 자유롭고, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같은 선 초점 F를 나타낸다.

추가 집속 광소자(82) 및 추가 시준 광소자(98)는 애너모픽 케플러 타입 어포컬 망원경을 함께 형성한다. 소자들(92 및 98)의 초점 거리가 서로 상이하게 선택된다면, 광학 시스템(80)의 이 부분은 1-차원 어포컬 빔 확장기 또는 압축기를 형성하므로, 인출-인입하는 입력 광 빔(82)의 크기를 광학 시스템(80)을 위해 요구되는 크기로 적합화하기 위해 인입하는 입력 광 빔(82)을 동시에 확장 또는 압축하는데 사용될 수 있다.

광학 시스템(20, 40, 80)은 부분적으로, 또는 그들 자체가 기판상에 스캐닝 빔 초점을 생성하기 위한 스캐닝 시스템일 수 있다. 바람직하게 "스캐닝"이란, 선 초점에 대해 기판을 기계적으로 이동시킴으로써, 또는 기판 넘어로 선 초점을 이동시키는 광학 수단에 의해, 선 초점이 선 초점에 직각인 방향으로 스캐닝되거나 또는 기판 위를 지나간다는 의미이다.

이와 같은 스캐닝 시스템은 바람직하게, 기판의 레이저 공정을 위한 다양한 방법, 예컨대, 바람직하게는 아모퍼스 실리콘 또는 반도체 필름의 레이저 어닐링을 위한 방법, 반도체 필름의 레이저 유도된 결정화를 위한 방법, 평판 디스플레이 또는 OLED 디스플레이 제조를 위한 방법, 또는 임의의 다른 종류의 레이저 재료 공정을 위한 방법에 사용된다.

본 명세서에 기술된 바와 같은 광학 시스템의 응용에 따라, 광원에 의해 방사된 광의 파장은, 이 파장에 대해 기판의 흡수 계수가 높도록 선택된다. 특히, 레이저 소스들(24, 44, 84)은 고출력 엑시머 레이저 또는 다른 고출력 광원일 수 있다.

Claims

기판의 표면상에 입력 광 빔으로부터 선 초점(line focus)을 생성하기 위한 광학 시스템으로서,

전파 방향으로 전파하는 상기 입력 광 빔을 방사하는 광원으로서, 상기 입력 광 빔은 상기 전파 방향을 가로지르는 제1 차원으로의 확장, 및 상기 제 1차원 및 상기 전파 방향을 가로지르는 제2 차원으로의 확장을 갖는 것인, 광원,

상기 입력 광 빔을 상기 제1 차원으로 확장하는 적어도 하나의 빔 확장 광소자,

상기 제2 차원의 입력 광 빔을 상기 표면상의 선 초점으로 집속하도록, 상기 제2 차원으로 구부러진(curved) 적어도 하나의 집속(focusing) 광소자,

상기 선 초점이 직선이고, 적어도 대략 상기 선 초점의 전체 거리에 걸쳐 상기 표면상의 평편한 초점면에 놓이도록 상기 선 초점을 평편하게 하는 적어도 하나의 보정 광소자

를 포함하는 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 보정 광소자는 상기 적어도 하나의 집속 광소자와 상기 표면 사이에 위치하고, 부배율(negative power)을 갖는 것인, 광학 시스템.
제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 보정 광소자는 상기 제1 차원 및 상기 제2 차원 중 적어도 하나의 차원에서 상기 부배율을 갖는 것인, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 보정 광소자는 상기 적어도 하나의 집속 광소자 앞에 위치한 시준(collimating) 광소자이고, 상기 입력 광 빔이 상기 제1 차원 및 상기 제2 차원 중 적어도 하나의 차원에서 상기 적어도 하나의 집속 광소자에 적어도 대략 직각으로 입사하도록 상기 제1 차원 및 상기 제2 차원 중 적어도 하나의 차원에 상기 입력 광 빔을 시준하는 것인, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 차원 및 상기 제2 차원 중 적어도 하나의 차원에 중간 초점을 생성하기 위해 상기 적어도 하나의 집속 광소자와 상기 광원 사이에 배열된 적어도 하나의 추가 집속 광소자를 더 포함하는 광학 시스템.
제5항에 있어서, 상기 제1 차원 및 상기 제2 차원 중 적어도 하나의 차원에 상기 입력 광 빔의 날카로운 에지를 생성하기 위해 상기 중간 초점의 영역에 조리개가 배열되는 것인, 광학 시스템.
제6항에 있어서, 상기 조리개는 직사각형 모양의 슬릿을 갖는 것인, 광학 시스템.
제5항에 있어서, 상기 추가 집속 광소자는, 상기 제2 차원에 상기 입력 광 빔을 시준하기 위해 상기 중간 초점 뒤에 배열된 추가 시준 광소자를 할당받는 것인, 광학 시스템.
제8항에 있어서, 상기 추가 집속 광소자 및 상기 추가 시준 광소자는 어포컬(afocal) 망원경을 형성하도록 배열되는 것인, 광학 시스템.
제8항에 있어서, 상기 추가 시준 광소자는 상기 적어도 하나의 빔 확장 광소자 앞에 배열되는 것인, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 빔 확장 광소자는 고속 조향 미러, 예를 들어, 갈보-미러(galvo-mirror)인 것인, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 빔 확장 광소자는, 적어도 하나의 음화 원통형 렌즈, 원통형 렌즈 어레이, 적어도 하나의 회절 소자, 및 1-차원 디퓨저(diffuser)를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것인, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 빔 확장 광소자는 또한 상기 빔을 균일하게 하는(homogenize) 것인, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 집속 광소자는 원통형 렌즈인 것인, 광학 시스템.
제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 추가 집속 광소자는 원통형 렌즈인 것인, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 빔 확장 광소자, 상기 적어도 하나의 집속 광소자, 및 상기 적어도 하나의 보정 광소자 중 적어도 하나는 플루오르화 칼슘을 포함하는 것인, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 입력 광 빔은, 파장에 대해 상기 기판의 흡수 계수가 크도록 선택되는 파장의 광을 포함하는 것인, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 기판은 반도체 필름을 포함하는 것인, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 기판은 아모퍼스 실리콘을 포함하는 것인, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 광원은 50W보다 큰 광출력을 제공하는 고출력 레이저인 것인, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 광원은 엑시머 레이저인 것인, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 선 초점은 상기 기판의 표면상에 텔레센트릭(telecentric)되는 것인, 광학 시스템.
기판상에 스캐닝 빔 초점을 생성하기 위한 스캐닝 시스템에 있어서,

전파 방향으로 전파하는 입력 광 빔을 방사하는 광원으로서, 상기 입력 광 빔은 상기 전파 방향을 가로지르는 제1 차원으로의 확장, 및 상기 제1 차원 및 상기 전파 방향을 가로지르는 제 2차원으로의 확장을 갖는 것인, 광원,

상기 입력 광 빔을 상기 제1 차원으로 확장하는 적어도 하나의 빔 확장 광소자,

상기 제2 차원의 입력 광 빔을 상기 평편한 표면상의 선 초점에 집속하도록 상기 제2 차원으로 구부러진(curved) 적어도 하나의 집속 광소자, 및

상기 선 초점이 직선이고, 적어도 대략 상기 선 초점의 전체 거리에 걸쳐 상기 표면상의 평편한 초점면에 놓이도록 상기 선 초점을 평편하게 하는 적어도 하나의 보정 광소자

를 포함하는 스캐닝 시스템.
제23항에 있어서, 상기 적어도 하나의 보정 광소자는 상기 적어도 하나의 집 속 광소자와 상기 표면 사이에 위치하고, 부배율(negative power)을 갖는 것인, 스캐닝 시스템.
제24항에 있어서, 상기 적어도 하나의 보정 광소자는 상기 제1 차원 및 상기 제2 차원 중 적어도 하나의 차원에서 부배율을 갖는 것인, 스캐닝 시스템.
제23항에 있어서, 상기 적어도 하나의 보정 광소자는 상기 적어도 하나의 집속 광소자 앞에 위치하고, 상기 제1 차원 및 상기 제2 차원 중 적어도 하나의 차원에서 상기 입력 광 빔이 적어도 대략 직각으로 상기 적어도 하나의 집속 광소자 상에 입사하도록 상기 제1 차원 및 상기 제2 차원 중 적어도 하나의 차원에 상기 입력 광 빔을 시준하는 것인, 스캐닝 시스템.
제23항에 있어서, 상기 제2 차원에 중간 초점을 생성하기 위해 상기 적어도 하나의 집속 광소자와 상기 광원 사이에 배열된 적어도 하나의 추가 집속 광소자를 더 포함하는 것인, 스캐닝 시스템.
제27항에 있어서, 상기 제1 차원 및 상기 제2 차원 중 적어도 하나의 차원에 상기 입력 광 빔의 날카로운 에지를 생성하기 위해 조리개가 상기 중간 초점의 영역에 배열되는 것인, 스캐닝 시스템.
제28항에 있어서, 상기 조리개는 직사각형 모양의 슬릿을 갖는 것인, 스캐닝 시스템.
제27항에 있어서, 상기 추가 집속 광소자는, 상기 제2 차원에 상기 입력 광 빔을 시준하기 위해 상기 중간 초점 뒤에 배열된 추가 시준 광소자를 할당받는 것인, 스캐닝 시스템.
제30항에 있어서, 상기 추가 집속 광소자 및 상기 추가 시준 광소자는 어포컬 망원경을 형성하도록 배열되는 것인, 스캐닝 시스템.
제30항에 있어서, 상기 추가 시준 광소자는 상기 적어도 하나의 빔 확장 광소자 앞에 배열되는 것인, 스캐닝 시스템.
제23항에 있어서, 상기 기판 위에 상기 선 초점을 스캐닝하는 수단을 더 포함하는 스캐닝 시스템.
기판의 표면상에 스캐닝 빔 초점을 생성하기 위한 스캐닝 시스템을 이용하는, 기판의 레이저 공정을 위한 방법에 있어서, 상기 스캐닝 시스템은,

전파 방향으로 전파하는 입력 광 빔을 방사하는 광원으로서, 상기 입력 광 빔은 상기 전파 방향을 가로지르는 제1 차원으로의 확장, 및 상기 제1 차원 및 상 기 전파 방향을 가로지르는 제2 차원으로의 확장을 갖는 것인, 광원,

상기 제1 차원으로 상기 입력 광 빔을 확장하는 적어도 하나의 빔 확장 광소자,

상기 제2 차원의 입력 광 빔을 상기 평편한 표면상의 선 초점에 집속하도록 상기 제2 차원으로 구부러진(curved) 적어도 하나의 집속 광소자, 및

상기 선 초점이 직선이고, 적어도 대략 상기 선 초점의 전체 거리에 걸쳐 상기 표면상의 평편한 초점면에 놓이도록 상기 선 초점을 평편하게 하는 적어도 하나의 보정 광소자를 포함하는 것인, 기판 레이저 공정 방법.
제34항에 있어서, 상기 기판 위에 상기 선 초점을 스캐닝하는 단계를 더 포함하는 기판 레이저 공정 방법.
제35항에 있어서, 상기 기판 위에 상기 선 초점을 기계적으로 스캐닝하는 단계를 더 포함하는 기판 레이저 공정 방법.
제35항에 있어서, 상기 기판 위에 상기 선 초점을 광학적으로 스캐닝하는 단계를 더 포함하는 기판 레이저 공정 방법.
제34항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판인 것인, 기판 레이저 공정 방법.
제34항에 있어서, 상기 기판은 반도체 필름인 것인, 기판 레이저 공정 방법.
제34항에 있어서, 상기 레이저 공정은 상기 기판을 어닐링(annealing)하는 단계를 포함하는 것인, 기판 레이저 공정 방법.
제34항에 있어서, 상기 레이저 공정은 상기 기판의 레이저 유도된 결정화 단계를 포함하는 것인, 기판 레이저 공정 방법.
제34항에 있어서, 상기 레이저 공정은 평판 디스플레이 제조 공정에서 수행되는 것인, 기판 레이저 공정 방법.
제34항에 있어서, 상기 레이저 공정은 유기 LED 디스플레이 제조 공정에서 수행되는 것인, 기판 레이저 공정 방법.