KR20160073376A - 모듈형 레이저 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각각 작업 평면(6) 상에 레이저 선을 발생시키는 복수의 레이저 모듈을 포함하고, 상기 레이저 모듈들은 모듈들에 의해 발생된 레이저 선들이 단일 레이저 선으로 조합되도록 병렬배치된 레이저 장치에 관한 것이다. 또한, 레이저 장치는, 각 레이저 모듈에 의해 발생된 최종 레이저 선이 작업 평면(6) 상에서 끝이 뾰족한 최상부(1a, 1b, 1c, 1d)를 갖는 출력 밀도 프로파일을 갖도록 하는 마이크로렌즈들의 제1 정렬(1), 수렴 렌즈(2) 및 수렴 렌즈(2)의 초점 평면에 놓인 마이크로렌즈들의 제2 정렬(3)을 포함한다. 레이저 모듈들은 각 레이저 모듈에 의해 발생된 레이저 선들이 1.2 m 초과의 총 길이를 갖는 단일 레이저 선(3)으로 조합되도록 병렬배치된다.

Description

모듈형 레이저 장치 {MODULAR LASER APPARATUS}

본 발명은 복수의 병렬배치가능한 레이저 모듈로부터 특별한 제한 없이 형성된 광폭 기판 레이저 어닐링 장치에 관한 것이다.

평편한 기판 상에 침착된 코팅의 국소 급속 레이저 어닐링 (레이저 플래시 가열)을 수행하는 것은 공지되어 있다. 이것을 하기 위해서, 어닐링될 코팅을 갖는 기판을 레이저 선 아래에서 주행시키거나, 또는 다르게는, 코팅을 지닌 기판 위에서 레이저 선을 주행시킨다.

레이저 어닐링은 얇은 코팅이 약 수백 도의 고온으로 가열되는 것을 허용하고, 동시에 밑에 있는 기판을 보존한다. 물론, 주행 속도는 바람직하게는 가능한 한 높고, 유리하게는 적어도 수 m/분이다.

특히, 본 발명은 레이저 다이오드를 이용하는 레이저에 관한 것이다. 가격 및 출력의 관점에서 볼 때 현재로서는 레이저 다이오드가 가장 좋은 레이저원이다.

높은 주행 속도로 공정을 실시하는 데 요구되는 단위 길이 당 출력을 얻기 위해서는, 매우 많은 레이저 다이오드의 복사를 단일 레이저 선으로 집중시키는 것이 바람직하다. 어닐링될 코팅을 지닌 기판에서, 기판의 모든 지점을 동일한 어닐링 에너지에 노출시키기 위해서는 일반적으로 이 레이저 선의 출력 밀도가 가능한 한 균일해야 한다.

게다가, 광폭 기판, 예컨대 플로트 공정으로 제조된 "점보" 크기 (6 m x 3.21 m)의 평편한 유리 시트를 처리할 수 있는 것이 바람직할 것이다. 매우 긴 레이저 선을 얻는 것과 관련된 문제가 선의 길이를 마음대로 증가시킬 수 있고, 동시에 선 자체의 길이와 같은 길이의 모놀리식 광학 어셈블리의 필요를 피하도록 레이저 모듈을 병렬배치하는 것을 허용하는 시스템의 제조에 존재한다.

그러한 모듈형 레이저 장치는 이미 구상되었다. 따라서, 특허 US 6 717 105는 매우 단순한 디자인의 모듈형 레이저 장치를 서술한다. 이 레이저 장치에서는, 각 모듈 (레이저 진동기(1a, 1,b, 1c))이 레이저 빔을 발생시키고, 레이저 빔이 형상화된 후 거울(4a, 4b, 4c)에 의해 반사되고 기판(5) 상에 직각으로 레이저 선 형태로 투사된다. 레이저 빔을 형상화하는 수단(3a, 3b, 3c)은 출력 밀도가 높고 일정한 매우 넓고 중심부 및 이 플래토(plateau)의 양쪽 말단에 가파른 기울기를 갖는 하강 변을 가지는 톱-해트(top-hat) 출력 밀도 프로파일을 갖는 레이저 선을 기판과의 교차점에서 생성하도록 설계된다 (US 6 717 105의 도 5를 참고한다). 가파른 변들을 중첩함으로써 프로파일들을 조합해서 가능한 한 균일한 출력 밀도 분포를 갖는 단일의 조합된 선을 생성한다.

그러나, 이 유형의 톱-해트 레이저 선 프로파일을 발생시키는 레이저 모듈은 모듈을 서로에 대해 위치시킬 때 생기는 가능한 오차에 매우 민감하다. 구체적으로, 중첩된 횡방향 대역에서 기울기의 높은 가파름은 모듈 사이의 간격이 너무 크면, 연접부에서 출력 밀도 결함이 쉽게 생성되고, 반대로, 너무 가깝게 이격된 모듈은 출력 밀도가 지나치게 높은 연접 대역을 초래할 것임을 의미한다.

본 출원인은 선행 기술에서 일반적으로 흔했던 "톱-해트" 출력 밀도 프로파일을 생성하는 것이 아니라, 오히려 중심에서부터 말단까지 꾸준히 하강하는 기울기를 갖는 "마녀 모자"(witches-hat) 유형 프로파일, 즉, 삼각형에 가까운 프로파일을 생성하는 마이크로렌즈 기반 레이저 선 형상화 광학 시스템을 장치의 모듈에 설치함으로써 각 레이저 모듈의 위치설정의 오차에 대한 모듈형 레이저 장치의 감도를 상당히 감소시키는 것이 가능하다는 것을 관찰하였다.

본 발명의 주제는 각각 작업 평면에 레이저 선을 발생시키는 복수의 레이저 모듈을 포함하고, 상기 레이저 모듈들은 모듈들에 의해 발생된 레이저 선들이 단일 레이저 선으로 조합되도록 병렬배치되고, 각 레이저 모듈은

- 적어도 하나의 레이저 선 발생 수단, 바람직하게는 레이저 다이오드의 선형 어레이, 및

- 레이저 선 형상화 수단

을 포함하는 것인 레이저 장치로서,

상기 레이저 선 형상화 수단은, 최종 레이저 선이 작업 평면에서 최대 출력 밀도의 90%에서의 폭 (L₉₀)/최대 출력 밀도의 10%에서의 폭 (L₁₀)의 비 L₉₀/L₁₀이 1/15 내지 1/5, 바람직하게는 1/12 내지 1/7, 특히 1/10 내지 1/8에 포함되는, 최대 출력 밀도의 90%에서의 폭 (L₉₀) 및 최대 출력 밀도의 10%에서의 폭 (L₁₀)을 갖는 출력 밀도 프로파일을 갖도록 하는 마이크로렌즈들의 제1 선형 어레이, 수렴 렌즈 및 수렴 렌즈의 초점 평면에 놓인 마이크로렌즈들의 제2 선형 어레이를 포함하는 것임을 특징으로 하는 레이저 장치이다.

따라서, 선행 기술과 대조적으로, 본 발명에서는 가능한 한 큰 유용한 출력 플래토를 포함하는 출력 밀도 프로파일을 갖는 레이저 선을 각각이 방출하는 레이저 모듈을 제조하려고 시도하지 않는다. 이와 반대로, 고출력 중심 대역 (L₉₀)의 범위를 모듈의 레이저 선의 총 길이의 20% 미만, 바람직하게는 50% 미만, 특히 10% 미만으로 감소시키려고 시도하고, 또한, 최대 출력 대역의 양쪽 변에서 기울기의 값을 감소시키려고 시도한다. 이것은 각 모듈에 의해 방출되는 출력 밀도 프로파일의 두 변의 기울기가 낮을수록, 모듈을 위치시킬 때 생기는 어떠한 오차가 모듈의 선형 어레이에 의해 생성되는 조합된 출력 밀도 프로파일에 미치는 영향이 작을 것이기 때문이다. 따라서, 각 모듈에 의해 발생되는 선의 출력 프로파일의 이상적인 형상은 최대 출력과 같은 높이 (h) 및 레이저 선의 길이와 같은 밑변 (b)을 갖는 삼각형이다.

이상적으로는, 따라서 출력 밀도 프로파일의 변의 기울기가 이 삼각형의 변의 기울기 (2h/b)와 같다.

그러나, 실제 출력 밀도 프로파일은 엄밀한 삼각형 형상과 약간 상이할 수 있다.

바람직하게는, 각 레이저 모듈에 의해 발생된 최종 레이저 선은 작업 평면에서 레이저 선의 중심에서 최대 출력 밀도를 가지고 출력 밀도가 선의 중심에서부터 말단까지 꾸준히 감소하고 감소의 기울기는 동일한 L₁₀ 및 L₉₀의 완벽한 삼각형 프로파일의 기울기와 20% 이하, 바람직하게는 10% 이하로 출력 밀도 프로파일을 갖는다. 여기서 "감소의 기울기"라는 표현은 레이저 선의 길이의 1/50과 같은 길이에 걸쳐서 관찰되는 평균 기울기를 나타낸다.

레이저 모듈들은 개개의 출력 밀도 프로파일의 합의 결과로 얻는 조합된 레이저 선의 출력 밀도 프로파일이 장치의 조합된 레이저 선의 총 길이의 90% 이상을 나타내는 중심 대역을 가지고 이 중심 대역에서 출력 밀도가 10% 이하, 바람직하게는 5% 이하, 특히 유리하게는 1% 이하로 변하는 톱-해트 프로파일이 되도록 병렬배치된다.

본 발명의 장치에서는 각 모듈의 삼각형 프로파일의 유용한 출력 대역의 작은 폭 (L₉₀)이 두 인접 모듈에 의해 발생된 개개의 레이저 선의 매우 큰 겹침에 의해 보상된다.

구체적으로, 개개의 삼각형 "마녀 모자" 프로파일로부터 톱-해트 조합된 프로파일을 생성하기 위해서는, 최종 프로파일의 거의 모든 지점을 부분적으로 겹치는 적어도 두 개의 개개의 프로파일을 더함으로써 얻는 것이 필수적이다.

본 발명의 바람직한 실시양태에서는, 한 레이저 모듈에 의해 발생된 레이저 선의 각 말단이 인접 모듈에 의해 발생된 레이저 선의 중심에 바로 근접하여 위치하는 방식으로 레이저 모듈들이 병렬배치된다. 따라서, 출력 밀도가 일정한 조합된 프로파일의 중심부에서는, 바람직하게는 레이저 선의 각 지점이 두 상이한 이웃하는 레이저 모듈 각각에 의해 발생된 두 삼각형 레이저 프로파일의 일부로 생성된다.

이 프로파일 조합 방식은 일반적으로 복수의 개개의 "톱-해트" 프로파일을 발생시켜 조합하려고 시도하였고 개개의 프로파일의 겹침 대역들이 레이저 선의 총 길이의 수 % 초과를 나타내지 않았던 선행 기술에서 이용된 것과는 매우 상이하다.

실질적으로 삼각형 출력 밀도 프로파일을 갖는 길이 L_i의 레이저 선을 각각 발생시키는 n 개의 모듈이 단일 "톱-해트" 프로파일 (도 1을 참고한다)을 생성하도록 병렬배치되는 본 발명의 장치의 한 실시양태에서, 이 단일 선의 전체 길이 (L_g)는 다음과 같다:

L_g = (n + 1) x 0.5 L_i

따라서, 바람직하게는 전체 길이 L_g는 각 모듈이 개별적으로 발생시킨 레이저 선의 길이의 1/2의 배수와 같다.

레이저 선에 톱-해트 출력 밀도 프로파일을 제공하는 것을 허용하는 렌즈의 시스템이 선행 기술로부터 공지되어 있다. 그러한 시스템은 예를 들어 특허 출원 US 2012/0127723에서 서술된다. 그것은 각각이 복수의 마이크로렌즈로부터 광을 수용하는 더 큰 크기의 수렴 렌즈(5)와 조합된 제1 마이크로렌즈 어레이(4)를 포함한다. 초점 평면(8)에서, 각 수렴 렌즈는 상대적으로 넓은 중심부 및 상대적으로 가파른 기울기를 갖는 하강 변(10)을 갖는 톱-해트 출력 밀도 프로파일(9)을 생성한다.

본 발명에서는, 삼각형 프로파일을 얻는 것을 허용하는 마이크로렌즈 어레이가 톱-해트 출력 밀도 프로파일을 생성하는 수렴 렌즈의 초점 평면에 놓인다. 마이크로렌즈 어레이는 초점 길이 D의 N 개의 실린더형 마이크로렌즈의 선형 어레이를 포함한다.

도 1과 관련해서 아래에서 설명하는 바와 같이, 마이크로렌즈의 이 선형 어레이에 의해 형상화되는 레이저 선의 출력 밀도 프로파일은 마이크로렌즈 어레이에 대한 거리에 따라 다르다. 선형 마이크로렌즈 어레이에 바로 근접해서는, 출력 밀도 프로파일이 톱-해트 형상을 갖는다. 출력 밀도 프로파일은 선형 어레이로부터의 거리에 따라 점점 더 삼각형 모양이 된다.

출력 밀도 프로파일이 삼각형 형상을 갖는 정확한 거리 (D)는 공지된 바와 같이 다음 식

D = N x F

여기서,

N은 마이크로렌즈의 수를 나타내고,

F는 각 마이크로렌즈의 초점 길이를 나타냄)에 의해 계산할 수 있고,

단, 마이크로렌즈 어레이는 마이크로렌즈 어레이와 톱-해트 출력 밀도 프로파일을 생성하는 수렴 렌즈 사이의 거리에 비해 무시할 수 있을 정도의 크기를 갖는다.

유리하게는, 작업 평면 (기판)은 선형 마이크로렌즈 어레이로부터 D ± 15%, 바람직하게는 D ± 5%의 거리에 및 이상적으로는, 정확히 거리 D에 놓일 것이다.

물론, 상기 식에 의해서 관련 분야 기술자가 주어진 거리 D에서 삼각형 출력 밀도 프로파일을 얻기에 적당한 마이크로렌즈의 선형 어레이를 선택하는 것이 가능하고 쉽다.

바람직하게는, 본 발명의 모듈형 레이저 장치는 적어도 5개의 모듈, 특히 적어도 10개의 모듈을 포함한다.

유리하게는, 레이저 모듈들은 발생된 레이저 선들이 1.2 m 초과, 바람직하게는 2 m 초과 및 특히, 3 m 초과의 총 길이를 갖는 단일 레이저 선으로 조합되도록 병렬배치된다.

3.21 m의 폭을 갖는 "점보" 기판을 레이저 처리할 목적으로는, 출력 밀도가 실질적으로 일정한 레이저 선의 중심부가 바람직하게는 3.20 내지 3.22 m에 포함되는 길이를 갖는다.

게다가, 레이저 모듈은 발생된 레이저 선이 기판, 또는 작업 평면을 바람직하게는 작은 각도로, 대표적으로 기판의 법선에 대해 20°미만 및 바람직하게는 10°미만으로 절단하도록 조립되어 레이저 장치에 탑재된다. 장치는 레이저 모듈이 계속 정지하고 처리될 기판이 모듈의 선형 어레이 아래에서 또는 위에서 일반적으로 레이저 선의 주축에 수직인 방향으로 주행하도록 설계될 수 있다. 한 변형으로서, 장치는 기판이 계속 정지하고 레이저 모듈의 선형 어레이가 기판 위에서 또는 아래에서 주행하고 동시에 기판 상에 레이저 선을 투사하도록 설계될 수 있다.

이제, 본 발명을 첨부 도면과 관련해서 서술할 것이다.

도 1은 삼각형 출력 밀도 프로파일을 갖는 레이저 선을 얻는 것을 허용하는 광학 시스템을 나타내는 설명적인 개략도이다.
도 2는 톱-해트 형상을 갖는 조합된 프로파일을 얻기 위해서 복수의 삼각형 출력 밀도 프로파일을 조합하는 방법을 나타내는 설명적인 개략도이다.

도 1에서, 마이크로렌즈의 선형 어레이(1) 및 수렴 렌즈(2)의 조합의 결과로 수렴 렌즈의 초점 평면(4)에서 톱-해트 출력 밀도 프로파일(A)을 갖는 레이저 선을 발생시킨다. 마이크로렌즈들의 제2 선형 어레이(3)는 정확히 수렴 렌즈(2)의 초점 평면(4)에 놓인다. 선형 어레이(3)의 각 마이크로렌즈는 처음에는 수렴하고, 그 다음에 초점을 지나서는 발산하는 빔을 생성한다. 마이크로렌즈의 선형 어레이의 말단에 위치하는 두 마이크로렌즈의 빔은 한 점(5)에서 교차한다. 레이저 선의 가장 바깥에 있는 두 빔의 이 교차점(5)은 마이크로렌즈의 선형 어레이(3)에 평행한 직선(6) 상에 위치하고, 이 직선 상에서 레이저 선의 출력 밀도 프로파일은 삼각형 프로파일(B)을 갖는다. 이 직선(6)은 마이크로렌즈의 선형 어레이(3)로부터 거리 D에 있다. 처리될 기판 (나타내지 않음)은 직선(6)이 상기 기판의 평면에 위치하도록 놓여야 한다. D보다 큰 거리 D'에서는, 출력 밀도 프로파일(C)의 형상이 다시 한번 톱-해트의 형상에 가깝다.

마이크로렌즈들의 제1 선형 어레이(1), 수렴 렌즈(2) 및 수렴 렌즈(2)의 초점 평면에 놓인 마이크로렌즈들의 제2 선형 어레이(3)를 포함하는 레이저 선 형상화 수단은 마이크로렌즈의 선형 어레이(1)의 하나 이상의 마이크로렌즈 뒤에 놓인 개개의 레이저원 중 하나 이상이 고장날 경우의 조사 세기 균일성의 결함으로부터 시스템을 보호한다. 구체적으로, 한 모듈의 레이저원 전부로부터 유래하는 광은 수렴 렌즈(2)에서 혼합된 후 마이크로렌즈 어레이(3)에 의해 형상화된다. 마이크로렌즈들의 제1 선형 어레이 중의 마이크로렌즈 뒤에 놓인 레이저 다이오드의 고장은 레이저 선의 출력 감소를 초래하지만, 세기 균일성의 결함을 초래하지 않는다.

도 2는 본 발명에 따라서 병렬배치된 4 개의 모듈 (나타내지 않음)에 의해 발생된 4 개의 레이저 선의 출력 밀도 프로파일(1a, 1b, 1c, 1d)을 나타낸다. 4 개의 프로파일은 형상이 동일하다. 각 프로파일은 최대 출력 밀도(2), 최대 출력 밀도의 90%에서의 폭(L₉₀), 및 최대 출력 밀도의 10%에서의 폭(L₁₀)을 갖는다. 점선으로 나타낸 프로파일(3)은 개개의 삼각형 프로파일을 더함으로써 얻은 출력 밀도 프로파일에 상응한다. 이 프로파일은 톱-해트 형상을 갖는다. 레이저 모듈 (나타내지 않음)은 전체 프로파일(3)의 플래토 부분에서 프로파일의 각 지점이 이웃하는 두 레이저 모듈의 프로파일을 더함으로써 얻도록 놓인다.

Claims (7)

1. 각각 작업 평면에 레이저 선을 발생시키는 복수의 레이저 모듈을 포함하고, 상기 레이저 모듈들은 모듈들에 의해 발생된 레이저 선들이 단일 레이저 선으로 조합되도록 병렬배치되고, 각 레이저 모듈은
   - 적어도 하나의 레이저 선 발생 수단, 및
   - 레이저 선 형상화 수단
   을 포함하는 것인 레이저 장치이며,
   레이저 선 형상화 수단은, 각 레이저 모듈에 의해 발생된 최종 레이저 선이 작업 평면에서 최대 출력 밀도의 90%에서의 폭 (L₉₀)/최대 출력 밀도의 10%에서의 폭 (L₁₀)의 비 L₉₀/L₁₀이 1/15 내지 1/5에 포함되는, 최대 출력 밀도의 90%에서의 폭 (L₉₀) 및 최대 출력 밀도의 10%에서의 폭 (L₁₀)을 갖는 출력 밀도 프로파일을 갖도록 하는 마이크로렌즈들의 제1 선형 어레이(1), 수렴 렌즈(2) 및 수렴 렌즈(2)의 초점 평면에 놓인 마이크로렌즈들의 제2 선형 어레이(3)를 포함하고, 레이저 모듈들은, 모듈들에 의해 발생된 레이저 선들이 1.2 m 초과의 총 길이를 갖는 단일 레이저 선으로 조합되도록 병렬배치된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
2. 제1항에 있어서, 비 L₉₀/L₁₀이 1/12 내지 1/17, 바람직하게는 1/10 내지 1/8에 포함되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각 레이저 모듈에 의해 발생된 최종 레이저 선은, 작업 평면에서 레이저 선의 중심에서 최대 출력 밀도를 가지며 출력 밀도가 선의 중심에서부터 말단까지 감소하고 감소의 기울기는 동일한 L₁₀ 및 L₉₀의 완벽한 삼각형 프로파일의 기울기와 20% 이하, 바람직하게는 10% 이하로 상이한 출력 밀도 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 모듈들은, 개개의 출력 밀도 프로파일의 합의 결과로 얻는 조합된 레이저 선의 출력 밀도 프로파일이, 장치의 조합된 레이저 선의 총 길이의 90% 이상을 나타내는 중심 대역을 가지며 이 중심 대역에서 출력 밀도가 10% 이하, 바람직하게는 5% 이하, 특히 유리하게는 1% 이하로 변하는 톱-해트(top-hat) 프로파일이 되도록 병렬배치된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 모듈들은 레이저 모듈에 의해 발생된 레이저 선의 각 말단이 인접 모듈에 의해 발생된 레이저 선의 중심에 바로 근접하여 위치하도록 병렬배치된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 5개의 모듈, 바람직하게는 적어도 10개의 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 모듈들은 모듈들에 의해 발생된 레이저 선들이 2 m 초과, 특히 3 m 초과의 총 길이를 갖는 단일 레이저 선으로 조합되도록 병렬배치된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
   
   

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