KR20130014063A - 파이버 전송 레이저 광학계 - Google Patents

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요시아키 아이다
료타로 도가시
료스케 사토
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히데아키 구사마
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더 재팬 스틸 워크스 엘티디
쇼와 옵트로닉스 가부시키가이샤
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Abstract

레이저 발진기로부터의 레이저광을 전송하는 광파이버가 큰 코어 직경을 가지고 있더라도 단변방향 치수가 작은 라인 빔으로 성형할 수 있는 레이저 광학계를 제공한다.
레이저 발진기(2)에서 출력된 레이저광을 전송하는 제1 광파이버(3)와, 제1 광파이버(3)에서 출사된 레이저광을 콜리메이팅하는 콜리메이팅 렌즈(4)와, 콜리메이팅 렌즈(4)에서 출사된 레이저광을 복수의 셀(5a)에 의해 다점 스폿에 집광하는 구면 어레이 렌즈(5)와, 제1 광파이버(3)보다 작은 코어 직경을 가지고 구면 어레이 렌즈(5)에 의해 다점 스폿에 집광된 각 레이저광을 입사시키고, 또한 출사단(6b)이 그 축선을 서로 평행하게 하여 직선형의 일렬로 배열된 복수의 제2 광파이버(6)와, 복수의 제2 광파이버(6)에서 출사된 레이저광을 조사면(12)에서 직선형을 이루는 레이저광으로 성형하는 광학계(7~11)에 의해 파이버 전송 레이저 광학계(1)를 구성한다.

Description

파이버 전송 레이저 광학계{Fiber forwarding laser optical system}
본 발명은, 발진기에서 출력한 레이저광을 파이버로 전송(轉送)하여 라인 빔으로 성형하는 파이버 전송 레이저 광학계에 관한 것으로서, 박막 실리콘의 어닐링 처리에 이용하기에 적합하다.
레이저광에 의한 결정화, 표면 개질 기술로서 레이저 어닐링 기술이 알려져 있다. 레이저 어닐링 장치에서는, 레이저 발진기에서 출사되는 레이저광으로서 직사각형이나 선형의 엑시머 레이저가 사용되는 경우가 많았다. 엑시머 레이저를 사용하는 어닐링 장치는 특허문헌 1,2에 제안되어 있다. 이러한 장치에서는 다수의 원통 렌즈 어레이를 직교 배치한 광학계를 이용하고 있으며, 이 광학계에 의해 레이저 발진기에서 출사된 레이저광을, 단면의 한방향으로 균일화된 강도 분포를 갖는 한편, 이와 직교하는 방향으로 지극히 높은 집광 특성을 가진, 소위 가는 선형 분포의 레이저광으로 성형하였다.
이와 같이 레이저 발진기에서 출사된 레이저광을 선형의 분포로 성형하는 광학계에서는, 레이저 발진기의 출사 위치와 선형 분포 레이저광의 성형 위치와의 상대 위치 관계가 정해지기 때문에 어닐링 처리나 노광 처리를 하는 장치의 레이아웃, 장치 면적, 장치 부피의 자유도가 제한된다. 따라서 최근에는 레이저 출사단에 광파이버를 장착하여 레이저광을 파이버로 전송하는 파이버 전송 레이저 광학계가 출현하였다. 파이버 전송 레이저 광학계는, 광파이버를 이용함으로써 레이저 발진기에서 출사된 레이저광의 전송 자유도를 높일 수 있기 때문에 상기와 같은 장치 레이아웃의 문제가 해소되고 있다.
특허문헌 1: 일본특개평10-244392호 공보 특허문헌 2: 일본특개평10-153746호 공보
한편 레이저 발진기의 성능은 날이 갈수록 향상되고 있으며 그 출력이 높아지기 때문에 레이저 발진기의 출사단에 장착되는 광파이버가 손상을 입을 우려가 있다. 이 손상은, 주로 광파이버의 입사단에서 생기며 입사되는 레이저광의 밀도가 높을수록 손상이 생기기 쉬운 경향이 있다. 여기에서 레이저광의 입력 밀도를 낮추는 방법 중 하나로서, 광파이버의 코어 직경을 넓히는 방법을 들 수 있다. 즉 레이저 발진기의 출력에 따른 코어 직경의 광파이버로 레이저광을 집광하여 출력 밀도를 낮추는 방법이다.
그런데 어닐링 처리나 노광 처리를 하는 레이저 장치에서는, 처리를 하는 레이저광의 에너지 밀도가 높은 것이 중요하며, 어닐링 처리를 한 가공품을 저렴하게 제공하기 위해서는 쓰루풋을 향상시킬 필요가 있다. 쓰루풋의 향상에는, 상술한 바와 같은 선형 분포의 레이저광의 에너지 밀도를 높이고 또한 대면적을 처리할 수 있도록 하기 위해 레이저광의 단면 장변방향 치수를 확대할 필요가 있다.
그러나 쓰루풋 향상을 위해, 에너지 밀도를 높이고자 레이저광의 단변방향 치수를 보다 작게 하려고 하면, 광파이버에서 출사되는 레이저광의 출사 각도에 따라서는, 광학 배율이 아베의 회절 이론을 초과하는 경우가 있으며, 이 경우에는 에너지 손실이 발생한다. 추가로 광파이버의 손상을 피하기 위해서 코어 직경을 넓힐 필요가 있기 때문에 레이저 발진기에서 출사되는 레이저광을 단변방향 치수가 작은 라인 빔으로 성형할 수 없었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해소하기 위해 고안된 것으로서, 레이저 발진기에서 출사되는 레이저광을 전송하는 광파이버가 큰 코어 직경을 가지고 있더라도, 광파이버에서 출사된 레이저광을 단변방향 치수가 작은 라인 빔으로 성형할 수 있는 파이버 전송 레이저 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에 관한 파이버 전송 레이저 광학계(1)는, 레이저 발진기(2)에서 출력된 레이저광을 전송하는 제1 광파이버(3)와, 해당 제1 광파이버에서 출사된 레이저광을 콜리메이팅하는 콜리메이팅 렌즈(4)와, 해당 콜리메이팅 렌즈에서 출사된 레이저광을 복수의 셀에 의해 다점 스폿에 집광하는 어레이 렌즈(5)와, 상기 제1 광파이버보다 작은 코어 직경을 가지고 상기 어레이 렌즈에 의해 다점 스폿에 집광된 각 레이저광을 입사시키고, 또한 출사단(6b)이 그 축선을 서로 평행하게 하여 직선형의 일렬로 배열된 복수의 제2 광파이버(6)와, 해당 복수의 제2 광파이버에서 출사된 레이저광을 조사면(12)에서 직선형을 이루는 레이저광으로 성형하는 선형화 광학계(7~11)를 구비한 것으로 한다.
이 구성에 의하면, 제1 광파이버에서 출사된 레이저광을 어레이 렌즈에 의해 다점 스폿에 집광하고, 제2 광파이버에 광을 입사시켜 그 출사단을 일렬로 배열함으로써 제1 광파이버의 코어 직경을 넓혀 그 손상을 줄일 수 있고, 또한 장변방향의 단변방향에 대한 치수 비율이 큰 라인 빔을 얻을 수 있다. 또 어레이 렌즈의 스폿수 및 제2 광파이버의 갯수를 변경함으로써 라인 빔의 단변방향 치수를 자유롭게 설정할 수도 있다.
또 본 발명의 일측면에 의하면, 상기 제1 광파이버의 코어 직경을 A로 하고, 상기 조사면에 레이저광을 집광하는 집광렌즈의 단변방향 NA(Numerical Aperture: 개구수)을 N으로 하고, 상기 조사면(12)에서의 레이저광의 단변방향 치수를 C로 했을 때, N<1을 만족하는 한 C<A를 충족하는 구성으로 할 수 있다.
이 구성에 의하면, 집광렌즈에서 조사면까지의 거리를 적정한 값으로 설정한 후에 N을 임의로 선택 가능함과 동시에, N<1을 충족하는 한 C<A를 충족하는 라인 빔을 형성할 수 있다.
또 본 발명의 일측면에 의하면, 상기 제1 광파이버의 코어 직경을 A로 하고, 상기 제1 광파이버의 NA를 B로 하고, 상기 제2 광파이버의 코어 직경을 L로 하고, 상기 제2 광파이버의 NA를 K로 하고, 상기 콜리메이팅 렌즈의 빔직경을 D4로 하고, 상기 어레이 렌즈의 상기 셀에 외접(外接)하는 원의 직경을 D5로 했을 때,
D4/D5=(A×B)/(L×K)
를 충족하는 구성으로 할 수 있다.
이 구성에 의하면, 제1 광파이버에서 출사된 레이저광을, 에너지 손실을 일으키지 않고 제2 광파이버에 입사시켜 보다 강도(에너지 밀도)가 높은 라인 빔을 얻을 수 있다.
또 본 발명의 일측면에 의하면, 상기 선형화 광학계는, 상기 제2 광파이버에서 출사된 레이저광을 상기 제2 광파이버의 배열 방향(Y축방향)에 대해 굴절시키는 제1 원통 렌즈(7)와, 상기 제2 광파이버에서 출사된 레이저광을 상기 제2 광파이버의 배열 방향과 직교하는 방향(X축방향)에 대해 굴절시키는 제2 원통 렌즈(8)와, 상기 제1 원통 렌즈 및 상기 제2 원통 렌즈에서 출사된 레이저광을 상기 제2 광파이버의 배열 방향으로 굴절시키는 원통 어레이 렌즈(9)와, 상기 원통 어레이 렌즈에서 출사된 레이저광을, 상기 원통 어레이 렌즈(9)에 대해 쾰러 조명의 원리를 이용하여 상기 제2 광파이버의 배열 방향으로 굴절시키는 제3 원통 렌즈(10)와, 상기 원통 어레이 렌즈에서 출사된 레이저광을, 상기 제2 원통 렌즈(8)에 대한 결상 관계를 이용하여 상기 제2 광파이버의 배열 방향과 직교하는 방향으로 굴절시키는 제4 원통 렌즈(11)를 포함한 구성으로 할 수 있다.
이 구성에 의하면, 복수의 제2 광파이버에서 출사된 레이저광을, 조사면에서 장변방향 및 단변방향으로 모두 균일한 강도 분포를 가진 라인 빔으로 성형할 수 있다.
또 본 발명의 일측면에 의하면, 파이버 전송 레이저 광학계를 레이저 어닐링 장치에 적용하는 구성으로 할 수 있다. 이에 따르면, 단변방향 치수가 작고(에너지 밀도가 높고), 장변방향 치수가 큰 선형의 레이저광에 의해 쓰루풋이 높은 어닐링 처리를 실현할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 에너지 손실을 일으키지 않고 광파이버에서 출사된 레이저광을 단변방향 치수가 작은 라인 빔으로 성형할 수 있다.
도 1은, 실시형태에 관한 파이버 전송 레이저 광학계의 개략도이다.
도 2는, 도 1에 도시한 파이버 전송 레이저 광학계의 사시도이다.
도 3은, 제2 광파이버의 입사단 및 출사단의 배치도이다.
도 4는, 조사면에서의 광강도 분포를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 실시형태에 관한 파이버 전송 레이저 광학계(1)의 개략도로서, (A)는 광학계의 정면을 도시하고, (B)는 광학계의 측면을 도시한다. 도 1,2에 도시한 바와 같이 파이버 전송 레이저 광학계(1)는, 레이저 출사단에 제1 광파이버(3)가 장착된 레이저 발진기(2)를 가지고 있다. 제1 광파이버(3)는, 레이저 발진기(2)에서 출사되는 레이저광을 입사시켜도 손상되지 않는 비교적 큰 코어 직경을 가지고 있으며, 그 출사단에서 레이저광이 펼침각(spread angle)을 가지고 출사된다. 제1 광파이버(3)의 출사측에는 콜리메이팅 렌즈(4)가 배치되어 있고, 제1 광파이버(3)에서 출사된 레이저광이 콜리메이팅 렌즈(4)에 의해 평행광이 된다.
콜리메이팅 렌즈(4)의 출사측에는 구면 어레이 렌즈(5)가 배치되어 있다. 구면 어레이 렌즈(5)는, 평면에서 보아 정사각형인 구면 렌즈로 이루어진 셀(5a)을 평면상에서 서로 직행하는 X축 및 Y축방향을 따라 연속시켜 X축방향 및 Y축방향 모두 복수열을 이루는 매트릭스 형태로 배치한 것이다.
구면 어레이 렌즈(5)는, 본 실시형태에서는 X축방향 및 Y축방향으로 각 3열로 배치된 9개의 셀(5a)로 구성되어 있다. 구면 어레이 렌즈(5)에 입사된 평행광은 각 셀(5a)에 의해 집광되어 복수(여기에서는 9개)의 스폿을 형성한다.
구면 어레이 렌즈(5)의 출사측에는, 제1 광파이버(3)보다 작은 코어 직경을 가진 제2 광파이버(6)가, 구면 어레이 렌즈(5)에 의해 형성되는 스폿수에 대응하는 수(본 실시형태에서는, 정사각형의 3행 3열, 합계 9개)만큼 배치되어 있다. 제2 광파이버(6)의 입사단(6a)은, 도 3(A)에 도시한 바와 같이 각 스폿의 형성 위치, 즉 어레이 렌즈의 초점에 위치하고 있다. 즉, 제2 광파이버(6)의 입사단(6a)은 각각 평면에서 보아 각 셀(5a)의 중심에 배치된다.
또 제2 광파이버(6)의 입사단(6a)은 그 축선이 광축에 평행하도록 배치되어 있다. 아울러 여기에서 광축에 평행이란, 각 셀(5a)을 통과하는 실제 광속의 중심이 아닌, 각 셀(5a)의 회전 대칭축(여기에서는 이것을 광축이라고 칭한다.)과 평행한 것을 의미한다. 각 셀(5a)에 의해 집광된 레이저광은, 스폿 위치에 배치된 입사단(6a)에서 제2 광파이버(6)로 입사되어 제2 광파이버(6) 중에 전파된다.
아울러 구면 어레이 렌즈(5)에 의해 스폿을 형성할 때 제2 광파이버(6)에 입사되는 레이저광의 각도가 제2 광파이버(6)의 NA를 초과하지 않는 것으로 하고, 또 스폿의 직경이 제2 광파이버(6)의 코어 직경을 초과하지 않는 것으로 한다.
여기에서 제1 광파이버(3)의 코어 직경을 A, 제1 광파이버(3)의 NA를 B로 하고, 제2 광파이버(6)의 코어 직경을 L, 제2 광파이버(6)의 NA를 K로 하면 A>L, 또한 B>K의 관계가 된다. 또 콜리메이팅 렌즈(4)의 빔직경을 D4로 하고, 구면 어레이 렌즈(5)의 각 셀(5a)에 외접하는 원의 직경을 D5로 하면, 하기 식(1)이 충족된다.
D4/D5=(A×B)/(L×K) …(1)
제2 광파이버(6)의 코어 직경 및 NA가 이러한 설정이 됨으로써 제1 광파이버(3)에서 출사된 레이저광이 에너지 손실을 일으키지 않고 제2 광파이버(6)에 입사하게 된다.
제2 광파이버(6)는 각각 완만하게 만곡되도록 배치되어 있고, 그 출사단(6b)이 조사면(12)에서 선형의 레이저광을 얻기 위해, 도 3(B)에 도시한 바와 같이 Y축으로 평행한 직선형의 일렬로 배열되어 있다. 또 제2 광파이버(6)의 출사단(6b)은, 그 축선이 서로 평행하도록 배치되어 있고, 또한 본 실시형태에서는 등간격으로 배치되어 있다.
제2 광파이버(6)에서 출사된 레이저광은, 장변방향(Y축방향)에 대해 콜리메이팅하기 위한 원통 렌즈(7) 및 단변방향(X축방향)에 대해 콜리메이팅하기 위한 원통 렌즈(8)에 의해 타원 단면 형상의 평행광으로 콜리메이팅된다.
원통 렌즈(8)에 의해 타원 단면 형상으로 콜리메이팅된 레이저광은, 장변방향으로 조사면(12)에서 균일한 에너지 분포를 얻기 위해 쾰러 조명의 원리를 이용한 원통 어레이 렌즈(9) 및 원통 렌즈(10)에 입사한다. 조사면(12)에 조사되는 레이저광의 장변방향 치수(M)는, 원통 어레이 렌즈(9)의 초점 거리와 원통 렌즈(10)의 초점 거리로 결정되는 광학 배율을, 원통 어레이 렌즈(9)의 셀의 치수에 곱함으로써 결정된다.
원통 렌즈(8)에 의해 타원 단면 형상으로 콜리메이팅된 레이저광은, 단변방향으로는 원통 렌즈(8)와 원통 렌즈(11)와의 결상 관계에 기초하여 집광된다. 조사면(12)에 조사되는 레이저광의 단변방향 치수(C)는, 원통 렌즈(8)의 초점 거리와 원통 렌즈(11)의 초점 거리로 결정되는 광학 배율을, 제2 광파이버(6)의 코어 직경에 곱함으로써 결정된다. 아울러 조사면(12)에 조사되는 레이저광의 단변방향 치수(C)는, C<L<A의 관계가 된다.
이와 같이 구성된 파이버 전송 레이저 광학계(1)에 의하면, 단변방향으로 조사면(12)에 레이저광을 집광하는 원통 렌즈(11)의 단변방향의 NA를 N로 하면, 원통 렌즈(11)에서 조사면(12)까지의 거리가 적정한 값으로 설정되어 있으면, N<1을 충족하는 범위에서 N을 변경함으로써 조사면(12)에 조사되는 레이저광의 단변방향 치수(C)를 선택할 수 있고, 또한 치수(C)를, 에너지 손실을 일으키지 않고 A에 비해 작게 할 수 있다.
이와 같이 구성된 파이버 전송 레이저 광학계(1)에 의하면, 조사면(12)에서 도 4에 도시한 광강도 분포를 얻을 수 있다. 아울러 도 4(A)는, 레이저광의 단변방향(X축방향)의 광강도 분포를 도시하고, 도 4(B)는, 레이저광의 장변방향(Y축방향)의 광강도 분포를 도시하고 있다. 도 4에 도시한 바와 같이 실시형태에 관한 파이버 전송 레이저 광학계(1)에 의하면, 단변방향 치수(C)에 걸쳐 대략 균일한 광강도 분포를 나타내고, 또한 장변방향 치수(M)에 걸쳐 대략 균일한 광강도 분포를 나타내는 레이저광을 조사면(12)에서 얻을 수 있다.
이와 같이 제1 광파이버(3)에서 출사되는 레이저광을 콜리메이팅 렌즈(4)에서 콜리메이팅하고, 구면 어레이 렌즈(5)에서 코어 직경이 작은 제2 광파이버(6)에 입사시키고, 또한 코어 직경이 작은 제2 광파이버(6)의 출사단(6b)을 직선형으로 일렬로 배열하고, 출사단(6b)의 배열 장변방향(Y축방향)에 대해서는 쾰러 조명의 원리를 이용하고, 출사단(6b)의 배열 단변방향(X축방향)에 대해서는 렌즈 2장의 결상 관계를 이용함으로써, 구면 어레이 렌즈(5)에서 제2 광파이버(6)까지의 광학계를 이용하지 않는 경우에는 얻을 수 없었던 형상 및 균일한 강도 분포를 조사면(12)에서 갖는 라인 빔을 얻을 수 있다.
이러한 레이저광을 조사면(12)에 조사할 수 있는 파이버 전송 레이저 광학계(1)는, 박막 실리콘의 어닐링 처리를 하는 장치로서 적합하다.
이상 구체적인 실시형태를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지는 않는다. 예를 들면, 상기 실시형태에서는 셀(5a)을 3행 3열로 배열하여 구면 어레이 렌즈(5)를 구성하였으나, 다른 행렬수로 배열해도 좋다. 또 각 셀(5a)은 정사각형으로 한정되지 않으며 직사각형이나 육각형 등의 형상으로 할 수도 있다. 또한 다른 부재의 구체적 형상이나 배치 등도 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
1 파이버 전송 레이저 광학계
2 레이저 발진기
3 제1 광파이버
4 콜리메이팅 렌즈
5 구면 어레이 렌즈
5a 셀
6 제2 광파이버
(6a 입사단
6b 출사단
7 원통 렌즈(제1 원통 렌즈)
8 원통 렌즈(제2 원통 렌즈)
9 원통 어레이 렌즈
10 원통 렌즈(제3 원통 렌즈)
11 원통 렌즈(제4 원통 렌즈)
12 조사면
A 제1 광파이버(3)의 코어 직경
B 제1 광파이버(3)의 NA
L 제2 광파이버(6)의 코어 직경
K 제2 광파이버(6)의 NA
N 조사면(12)에 레이저광을 집광하는 렌즈의 단변방향의 NA
C 조사면(12)에서의 레이저광의 단변방향 치수
M 조사면(12)에서의 레이저광의 장변방향 치수
D4 콜리메이팅 렌즈(4)의 빔직경
D5 구면 어레이 렌즈(5)의 셀(5a)에 외접하는 원의 직경

Claims (4)

  1. 레이저 발진기에서 출력된 레이저광을 전송하는 제1 광파이버와, 해당 제1 광파이버에서 출사된 레이저광을 콜리메이팅 (collimating)하는 콜리메이팅 렌즈와, 해당 콜리메이팅 렌즈에서 출사된 레이저광을 복수의 셀에 의해 다점 스폿에 집광하는 어레이 렌즈와, 상기 제1 광파이버보다 작은 코어 직경을 가지고 상기 어레이 렌즈에 의해 다점 스폿에 집광된 각 레이저광을 입사시키고, 또한 출사단이 그 축선을 서로 평행하게 하여 직선형의 일렬로 배열된 복수의 제2 광파이버와, 해당 복수의 제2 광파이버에서 출사된 레이저광을 조사면에서 직선형을 이루는 레이저광으로 성형하는 선형화(線形化) 광학계를 구비한 것을 특징으로 하는, 파이버 전송 레이저 광학계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광파이버의 코어 직경을 A로 하고, 상기 조사면에 레이저광을 집광하는 집광렌즈의 단변방향의 NA를 N로 하고, 상기 조사면에서의 레이저광의 단변방향 치수를 C로 했을 때, N<1을 충족하는 한 C<A를 충족하는 것을 특징으로 하는, 파이버 전송 레이저 광학계.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제1 광파이버의 코어 직경을 A로 하고, 상기 제1 광파이버의 NA를 B로 하고, 상기 제2 광파이버의 코어 직경을 L로 하고, 상기 제2 광파이버의 NA를 K로 하고, 상기 콜리메이팅 렌즈의 빔직경을 D4로 하고, 상기 어레이 렌즈의 상기 셀에 외접하는 원의 직경을 D5로 했을 때,
    D4/D5=(A×B)/(L×K)
    를 충족하는 것을 특징으로 하는, 파이버 전송 레이저 광학계.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선형화 광학계는
    상기 제2 광파이버에서 출사된 레이저광을 상기 제2 광파이버의 배열 방향으로 굴절시키는 제1 원통 렌즈,
    상기 제2 광파이버에서 출사된 레이저광을 상기 제2 광파이버의 배열 방향과 직교하는 방향으로 굴절시키는 제2 원통 렌즈,
    상기 제1 원통 렌즈 및 상기 제2 원통 렌즈에서 출사된 레이저광을 상기 제2 광파이버의 배열 방향으로 굴절시키는 원통 어레이 렌즈,
    상기 원통 어레이 렌즈에서 출사된 레이저광을, 상기 원통 어레이 렌즈에 대해 쾰러 조명의 원리를 이용하여 상기 제2 광파이버의 배열 방향으로 굴절시키는 제3 원통 렌즈,
    상기 원통 어레이 렌즈에서 출사된 레이저광을, 상기 제2 원통 렌즈에 대해 결상 관계를 이용하여 상기 제2 광파이버의 배열 방향과 직교하는 방향으로 굴절시키는 제4 원통 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는, 파이버 전송 레이저 광학계.
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