KR20180098217A - 작업 대상물 상의 주기적 라인 구조를 위한 어블레이션 생성 장치 및 방법 - Google Patents

작업 대상물 상의 주기적 라인 구조를 위한 어블레이션 생성 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 작업 대상물(108) 상의 주기적 라인 구조를 위한 어블레이션 장치 및 방법에 관한 것이다. 장치는 어블레이티브 광(110)을 생성하기위한 펄스 레이저(109), 어블레이티브 광(110)의 빔 경로에 배치되는 위상 마스크(102), 광축 상에 배열 된 이미징 광학계 및 작업 대상물을 이미지 평면에 배치하는 홀더를 포함한다. 위상 마스크(102)는 간섭에 의해 물체면(103)에 복수의 등거리 평행 라인들(112)을 생성하고 광축(101)에 평행 한 회절 차수를 억제한다. 광축 (101)은 물체면(103)에 수직이다. 이미징 광학계(104)는 라인들(112)에 평행하게 배열되고 물체면(103)을 이미지면(107)으로 이미지화하도록 설계된 원통형 렌즈를 포함한다.

Description

작업 대상물 상의 주기적 라인 구조를 위한 어블레이션 생성 장치 및 방법
전자기 방사 수단에 의해 주기적 구조들을 생산하는 기술이 개시된다. 특히, 여기에 한정되지 않고, 어블레이션에 의해 주기적 라인 구조를 생산하는 장치 및 방법이 개시된다.
표면 영역은 표면의 구조화에 의해 시각적으로 또는 촉각적으로 식별될 수 있다. 더욱이, 회절(diffraction) 구조는 시야각에 따라 색이 다르게 나타나거나, 그래디언트를 생성할 수 있다. 장식용 외에도 구조화된 표면은 탈수(dewetting)와 같은 내 오염성일 수 있다.
"Lasers in Manufacturing 2013" 컨퍼런스의 "UV 레이저 어블레이션에 의한 유리 상의 마이크론 및 서브 마이크론 격자(Micron and Sub-Micron gratings on Glass by UV Laser Ablation), J. Meinertz et al., Physics Procedia, 41권, 708-712페이지"는 회절 격자 수단에 의한 평행 라인을 생산하는 종래의 방법을 개시한다. 그러나, 공정 레이저의 방사 출력의 상당한 부분은 회절 격자에서 손실된다. 게다가, 회절 격자의 주 최대값을 갖는 슈바르츠실트(Schwarzschild) 광학계(optics)는 방사 출력의 다른 큰 부분을 숨긴다.
또한, US 2009/0046757 로부터 공지된 레이저 조사 장치는 레이저 결정화 결정 입계에서 발생된 위치에 의해 제어될 수 있다.
따라서 본 발명의 가능한 목적은 마이크로 구조의 보다 효과적인 생산을 위한 기술을 제공하는 것이다.
일 측면에 따르면, 작업 대상물에 주기 라인 구조의 어블레이션 생성을 위한 장치가 제공된다. 장치는 어블레이티브 광을 생성하기위한 펄스 레이저; 어블레이티브 광의 빔 경로에 배치되고 간섭에 의해 물체면에 복수의 등거리 평행 라인을 생성하고 광축에 평행한 회절의 차수를 억제하기 위해 형성되는 위상 마스크이고, 광축은 물체면에 수직; 라인들에 평행하게 정렬되고 물체면을 이미지면으로 이미지화하기 위해 형성된 원통형 렌즈로 광축 상에 배열 된 이미징 광학계; 및 작업 대상물을 이미지 평면에 배치하도록 형성된 홀더를 포함한다.
이미지화 된 등거리 평행 라인은 어블레이션에 의해 작업 대상물에 주기적 라인 구조를 생성할 수 있다. 작업 대상물의 주기적 라인 구조는 국지적으로 또는 섹션으로 주기적일 수 있다. 생성은 어블레이티브 광의 여러 펄스의 결과일 수 있다. 예를 들어, 주기적 라인 구조는 작업 대상물의 코히런트(coherent) 영역 또는 여러 개별 코히런트 영역에 생성될 수 있다.
이미지면은 광축에 대해 수직일 수 있다. 물체면 및 이미지면은 평행할 수 있다.
등거리 평행 라인의 방향은 길이 방향으로 정의된다. 광축 및 길이 방향은 대칭 평면을 정의 한다. 대칭 평면에 수직한 방향은 가로 방향을 정의 한다.
빔들은 빔과 광축(또는 대칭 평면) 사이의 각도(θ)(예를 들어, 광축에 수직한 평면에 대해)에 의해 기술될 수 있다. 대안적 및/또는 부가적으로, 빔들은 빔과 광축(또는 대칭 평면) 사이의 거리(s)(예를 들어, 가로 방향으로)에 의해(예를 들어, 광축에 수직한 평면에 대해) 기술될 수 있다.
위상 마스크는 물체면에서의 위상과 관련하여 그 위로 떨어지는 레이저의 빛을 변조할 수 있다. 위상 마스크는 가로 방향의 입사광에 직사각형 프로파일에 따라 위상 시프트를 변조할 수 있다. 길이 방향에서 위상 마스크는 (각각의 가로 방향에 대해)변하지 않는 위상 시프트를 가질 수 있다.
이미지화 된 라인들은 간섭에 의해 생성될 수 있다. 이미지화 된 라인들은 두개의 빔들의 간섭(2-빔 간섭)에 의해 이미지면에 생성될 수 있다. 위상 마스크는 두개의 빔을 생성할 수 있다. 각각의 빔은 회절의 순서에 각각 대응될 수 있다. 또한 광축에 평행한 회절의 (억제된) 차수는 근축(paraxial)광으로 기술된다. 또한 광축에 평행하지 않은 회절의 차수는 축외(off-axis)광으로 기술된다.
예를 들어, 두개의 간섭하는 빔들(예를 들어, 이미지 광학계에 의해 포획된 회절의 차수가 비 억제된)은 적어도 75%, 예를 들어 빛의 80%에서 90% (예를 들어, 위상 마스크 이후의 전체 방사선 출력에 대해 또는 레이저 출력에 대해)을 포함할 수 있다. 대안적 및/또는 부가적으로, 근축광의 비율은 10%보다 작거나, 5% 보다 작거나, 또는 1%보다 작을 수 있다(예를 들어, 위상 마스크 이후의 전체 방사선 출력에 대해 또는 레이저 출력에 대해). (이용 순서에 있어서)어블레이티브 광의 효율적 활용을 위해 위상 마스크는 축외광에서 가능한 많은 광축력이 제공되게 할 수 있다.
근축광의 비율이 적기 때문에, 고-콘트라스트 라인 구조가 가능할 수 있다. 선택적으로, 근축광의 차단을 위해(또는 빔 경로를 반사시키기 위해) 개구(또는 미러)가 위상 마스크와 이미징 광학계 사이에, 예를 들어 이미징 광학계에 직접) 배치될 수 있다. 두개의 빔들은 이미징 광학계 이전의 영역에서 위상 마스크와 이미징 광학계 사이에서 겹쳐지지 않는다. 개구 또는 미러는 영역에 배열될 수 있다.
축외광의 적어도 주된 부분은 이미징의 해상도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 더 미세한 라인 구조들이 생성될 수 있다. 대안적 및/또는 부가적으로, 근축광의 억제는 이미징의 필드의 깊이를 증가시킬 수 있다. 필드의 깊이는 50μm 에서 250μm, 예를 들어 100μm, 일 수 있다. 대안적 및/또는 부가적으로, 근축광의 억제 및/또는 축외광의 우세는 등거리 라인의 이미징에 대한 원통형 렌즈의 기하학적 (예를 들어, 원통형 또는 구형) 수차의 영향을 감소 시키거나 방지 할 수 있다.
물체면은 위상 마스크의 평면에 실질적으로 대응 및/또는 위상 마스크의 탤버트 영역에 놓일 수 있다.
이미징 광학계는 복수의 등거리 평행 라인들을 이미지면으로 이미지화 할 수 있다. 이미징 광학계는 이미징을 줄이기 위해 형성될 수 있다. 이미징은 가로 방향으로 거리를 줄이기 위해 형성될 수 있다. 이미지면에서의 이미지화된 라인들은 거리는 물체면에서 등거리 라인의 거리보다 작을 수 있다.
이미징 광학계는 다른 광학 요소들(예를 들어, 렌즈들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미징 광학계는 상응하는 조합된 굴절력을 갖는 두개의 원통형 렌즈들의 쌍을 포함할 수 있다.
위상 마스크는 광 효율적일 수 있다. 위상 마스크는 최소 75%, 예를 들어 80%~90%의 투과율을 가질 수 있다. 위상 마스크의 광 수율은 회절 격자의 수율 보다 상당히 높을 수 있습니다(예를 들어 배수). 또한, 위상 마스크의 사용은 주 최대 값을 차단하거나 흡수하지 않고 간섭에 의해 근 축광을 억제 할 수 있다.
레이저 및/또는 위상 마스크는 폭(X)에 걸쳐 물체면에서 복수의 등거리 라인을 생성하도록 형성된다. 위상 마스크로부터 나오는 회절 차수 (예를 들어, 적어도 실질적으로 비 억제된 회절 차수)는 이미징 광학계의 전체 폭(X)에 걸쳐 광축으로부터 이격 될 수 있다. 예를 들어, 이미징 광학계에 의해 포획된 된 회절 차수 (예를 들어, 적어도 실질적으로 비 억제된 회절 차수)는 광축으로부터의 폭(X) 이상으로 이격 될 수 있다.
레이저 및/또는 위상 마스크는 제 1 폭에 걸쳐 물체면에서 복수의 등거리 라인들을 생성하도록 형성 될 수 있다. 회절 차수는 이미징 광학계의 제 1 폭에 대응하는 제 2 폭에 걸쳐 광축으로부터 이격 될 수 있다. 제 1 폭은 물체면에서 광축을 가로 질러 연장 될 수 있다.
제2 폭은 이미징 광학계의 위치에서, 예를 들어 이미징 면 또는 이미징 광학계의 주된 평면에서, 광축을 가로질러 연장될 수 있다. 제2 폭은, 예를 들어 어블레이티브 광의 실질적으로 평행화된 빔의 경우에, 실질적으로 제1폭고 동일할 수 있다. 제2 폭은, 예를 들어 어블레이티브 광의 발산 빔의 경우, 제1 폭과 비교하여 빔 발산에 의해 확대 될 수있다. 제1 폭에 대한 제2 폭의 대응은 폭의 비례로 이루어질 수 있다. 비례 계수는 1이거나 1보다 클 수 있다.
레이저의 빛은 어블레이션을 위해 형성될 수 있다. 빛은 높은 열 효과 및/또는 플라즈마 형성으로 인해 물질의 국부적인 제거 또는 변형을 일으키도록 형성된다. 어블레이티브 광은 이미지면에서 홀더에 들어간 작업 대상물을 어블레이션하도록 형성될 수 있다. 작업 대상물의 표면 또는 섹션 면은 홀더를 사용하여 이미지면에 배치될 수 있다.
작업 대상물은 유리 및/또는 유리 몸체를 포함할 수 있다. 표면은 유리 표면일 수 있다. 유리는 규산염 유리일 수 있다.
빛은 어블레이션 효과는 파장, 펄스 지속 시간, 펄스 레이트(또는 반복 레이트), 펄스 에너지, 방사선 출력, 플루언스(fluence) 및/또는 강도에 의해 결정될 수 있다. 방사선 출력은 펄스 파워에 관련될 수 있다. 펄스 파워는 펄스 에너지 및 펄스 지속 시간의 비율일 수 있다. 플루언스는 유효 면적 당 펄스 에너지 일 수 있다. 강도는 유효 면적당 펄스 파워일 수 있다.
간섭 빔들은 가장 낮은 비-억제 회절 차수가 될 수 있다. 빔들의 간격은 빔들이 이미징 광학계에서 중첩되지 않는 것으로 달성될 수 있다.
작업 대상물을 라인들에 수직인 평면에서 이동될 수 있게 배열될 수 있다. 예를 들어, 대규모 구조물들이 생산될 수 있다. 대규모 구조물들은 상이한 어블레이션 펄스들의 라인-정밀 연속으로 조립될 수 있다. 선택적으로 또는 조합하여, 대규모 구조물은 작업 대상물의 표면에서 실질적으로 통계적으로 분포된 어블레이션 펄스들에 의해 조립될 수 있다. 두 경우 어블레이션 펄스들은 작업 대상물의 표면에서 중첩될 수 있다.
홀더는 이미지 평면에 평행하게, 그리고 예를 들어 이미징된 등거리 라인들에 수직으로, 작업 대상물을 일정한 피드 속도로 이동 시키도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 균질한 대규모 구조물이 생산될 수 있다. 일정한 피드 속도는 실질적으로 그리고/또는 적어도 일시적으로 일정할 수 있다.
펄스 레이저의 반복 속도(repetition rate, r) 및 홀더의 피드 속도(v)는 동기화 될 수 있다. 예를 들어, 적어도 일시 적으로, n은 정수이고 반복 속도(r) 및 피드 속도(v) 사이에, v = r·b·n 관계가 성립할 수 있다. 이 때, b는 이미지화 된 등거리 라인들의 주기성(periodicity)일 수 있다.
반복 속도는 10Hz 에서 5kHz, 예를 들어 100Hz 에서 1kHz 일 수 있다. 펄스 지속 시간은 10ns 에서 100ns, 예를 들어 20ns 일 수 있다.
연속적인 펄스들에 의해 생성되는 라인 구조는 중첩될 수 있다. 펄스 당 피드, b·n = v/r, 는 이미지 측의 폭(Y)보다 작을 수 있다. 예를 들어, 피드는 0.9·Y 에서 1.0·Y일 수 있다.
대안적 및/또는 부가적으로, 피드는 이미지 측의 폭(Y)의 부분일 수 있다. 피드 b·n는 m = 2, 3, 4,…에 대해 Y/m 일 수 있다. 따라서, 어블레이티브 광의 다중 적용에 의해, 공작 대상물에 원하는 라인 구조의 연장, 예를 들어 광축에 평행한, 이 달성될 수 있다.
라인 구조는 원하는 연장까지 이미지-측 주기성의 고수가 계속될 수 있다. 또한, 라인 구조는 사행(meandering) 공정에 의해 원하는 영역으로 계속될 수 있다.
대안적 및/또는 부가적으로, 스캐너는 이미징 옵틱의 뒤 또는 이미징 광학계의 일부로서 배치될 수 있다. 스캐너는, 예를 들어 전술된 주기적 라인 구조의 연속을 위해, 이미지화 된 등거리 라인들을 1차원 또는 2차원으로 오프셋하도록 형성될 수 있다.
위상 마스크는, 0 차(order)를 포함하여, 모든 짝수 회절의 차수를 억제하도록 형성될 수 있다.
비 억제 회절 차수는 광축에 대해 대칭으로 작용할 수 있다. 대안적 및/또는 부가적으로, 이미징 광학계는 광축에 대해 대칭적으로 배치될 수 있다. 이미징 광학계는 위상 마스크(또는 등거리 라인들) 및 광축에 의해 정의된 평면과 거울 대칭이 될 수 있다.
이미징 광학계는 두개의 비 억제 회절 차수들, 예를 들어 첫번째 2차 회절,을 포획할 수 있다. 억제된 회절 차수는 0차 회절일 수 있다. 위상 마스크는 (예를 들어, 레이저 또는 그 빔 경로와 관련하여) "+1/-1" 형태로 배열될 수 있다. 또한, 위상 마스크는 2차 회절, 예를 들어 임의의 짝수 차 회절)을 억제할 수 있다. "+1/-1"배열은 축외광의 두 간섭 빔들의 일관된 출력 및 강도를 촉진할 수 있다.
대안적으로, 억제된 회절 차수는 1차 회절일 수 있다. 위상 마스크는 (예를 들어, 레이저 또는 그 빔 경로와 관련하여) "0/-1" 배열로 배치될 수 있다. "0/-1" 배열은 근축 광의 효과적인 억제를 촉진할 수 있다.
모든 배열에서, 3차(또는 그 이상) 회절은 무시할 정도로 작은 강도일 수 있고/또는 기하학적으로 배제(예를 들어, 차단)될 수 있다(예를 들어 이미징 광학계의 측방 연장에 의해).
이미징 광학계는 일 차원으로 만 이미지화 할 수 있다. 이미징 광학계는 등거리 라인에 수직으로 이미지화 할 수 있다.
물체면 내의 등거리 라인들 및 이미지화 된 등거리 라인들은 실질적으로 동일한 길이를 가질 수 있다. 물체면 내의 등거리 라인들 및/또는 이지지 면내의 이미지화된 등거리 라인들은 대략 10mm 에서 50mm, 예를 들어 20mm, 의 길이를 가질 수 있다.
이미징 광학계는 복수의 등거리 라인들을 이미지 평면으로 이미지화 할 수 있다. 이미지는 줄일 수 있다. 이미징 광학계 (이미지면에서)등거리 라인들에 수직하게 줄일 수 있다. 이미지화된 라인들의 거리는 물체면에서 등거리 라인들의 거리보다 작을 수 있다. 이미지화된 라인들의 거리(즉, 그들의 주기성 b)는 사람의 눈의 분해능보다 작을 수 있다.
감소 인자, Y/X = b/g, 는 1/5에서 1/100의 범위 내, 예를 들어 1/10 또는 1/80, 일 수 있다. 물체면에서 등거리 라인들의 주기(g)는 2μm 에서 200μm, 예를 들어 25μm, 일 수 있다. 물체면에서 등거리 라인들의 주기는 위상 마스크의 주기(d)에서 g=d 또는 g=d/2일 수 있다. 이미지화된 등거리 라인들의 세트는 이미지면 내 이미지 측에서 10μm 내지 1mm, 예를 들어 100μm, 의 폭(Y)을 가질 수 있다.
위상 마스크의 주기(d)는 5μm 내지 500μm, 예를 들어 50μm, 일 수 있다. 이미지화 된 등거리 라인들의 주기(b)는 0.5μm 내지 25μm, 예를 들어 2.5μm 또는 5μm, 일 수 있다.
10 내지 1000, 예를 들어 50, 80 to 100, 200 또는 500 등거리 라인들이 펄스 당 이지미화 될 수 있다.
이미지화 된 평행 라인들에 의해 생성된 주기적 라인 구조는 확산 산란 및/또는 회절 반사 방식으로, 예를 들어 가시 광선에 대해, 유리 표면에 부조 격자(relief grating)로 작용할 수 있다.
광축으로부터 이격 된 원통형 렌즈의 단지 몇 외측 영역은 비 억제 회절 차수에 의해 조명될 수 있고/또는 이미징 면에서의 이미징에 기여할 수 있다.
또한, 장치는 이미징 광학계와 이미지면 사이에 배치되는 증폭 마스크를 가질 수 있다. 증폭 마스크는 이지미 면으로부터 이격 될 수 있다. 증폭 마스크는 작업 대상물과 함께 또는 평행하게 이동될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 작업 대상물에 또는 작업 대상물 상에 주기적 라인 구조를 어블레이션 생성을 위한 방법이 제공된다. 방법은 펄스 레이저에 의해 어블레이티브 광을 생성하는 단계; 간섭에 의해 물체면에 복수의 등거리 라인들을 생성하기 위해 그리고 물체면에 수직한 광축에 평행한 회절의 차수를 억제하기 위해 어블레이티브 광이 빔 경로 상에 위상 마스크를 배열하는 단계; 라인들에 평행하게 배열되고 광축에 배열되는 원통형 렌즈들에 의해 이미지 평면으로 물체면을 이미징하는 단계; 및 이미지 평면에 작업 대상물을 배치하는 단계를 포함한다.
이 기술의 특징들은 첨부 된 도면을 참조하여 예시적인 실시 예에 기초하여 아래에서 설명되며:
도 1은 작업 대상물 상에 주기적인 라인 구조를 생성하기 위한 장치의 개략적인 블록도를 나타내고;
도 2는 광축에 대한 각도 및 거리에 대한 위상 마스크로부터 나오는 광의 출력의 분포를 개략적으로 나타내고;
도 3은 도 1의 장치의 예시적인 실시 예를 개략적으로 나타내고;
도 4는 도 1 및 도 3의 장치 또는 도 2의 분포에 대한 위상 마스크의 제 1 구성을 나타내고;
도 5는 도 1 및 도 3의 장치 또는 도 2의 분포에 대한 위상 마스크의 제2 구성을 나타낸다.
도 1은 주기적 라인 구조의 생산을 위해 일반적으로 도면 번호 100으로 표시된 장치를 나타낸다. 장치(100)는 어블레이티브 광(ablative light, 100)의 생성을 위한 펄스 레이저(pulsed laser, 109), 물체면(object plane, 103)을 가지고 어블레이티브 광(110)의 빔 패스 내에 배치되는 위상 마스크(phase mask, 102), 광축(optical axis, 101) 상에 배열되는 이미징 광학계(imaging optics, 104), 작업 대상물(108)을 이미징 광학계(104)의 이미지면(image plane, 107) 내에 배치하기 위한 홀더(106)를 포함한다.
위상 마스크(102)는 간섭에 의해 물체면(103)에 제1 라인 구조를 생성한다. 물체면(103)은 광축(101)에 수직이다. 물체면은 레이저(109) 측으로부터 멀어지는 방향을 향하는 위상 마스크(102)의 근거리 장(near field)에 있다.
물체면(103)은 위상 마스크의 면으로부터 탤버트(Talbot) 길이 또는 탤버트 길이의 반(또는 탤버트 길이의 반 또는 탤버트 길이 전체의 정수 배) 이격 될 수 있다.
위상 마스크(102)의 원거리 장(far field)에서, 간섭은 광축(101)에 평행한 회절의 차수(order)를 억제한다. 위상 마스크(102)로부터, 적어도 실질적으로, 두 개의 빔들(116, 118)이 조사된다. 빔들(116, 118)은 광축(101)에 대칭되게 진행한다.
이미징 광학계(104)는 원통형 렌즈(cylindrical lens)의 양의 굴절력(positive refractive power)에 의해 물체면(103)이 이미지면(107)에 결상한다. 이미징 광학계(104)는 선택적으로 예를 들어 각각 양의 굴절력을 갖는 다른 광학 요소를 포함한다. 동일한 합성 굴절력을 갖는 2 개의 원통형 렌즈들의 더블릿을 사용함으로써, 단일 원통형 렌즈에 대응하는 굴절력에 비하여 결상 오차가 감소 될 수 있다. 더블릿은 비대칭 일 수 있다. 원통형 렌즈들은 각각 위상 마스크(102)의 볼록면과 정렬 될 수 있다.
물체면(103), 이미징 광학계(104) 및 이미지면(107)은 제1 라인 구조가 감소된 제2 라인 구조로 이미지화되도록 서로에 대해 배치된다. 제2 라인 구조는 2 개의 빔들(116, 118)의 간섭에 의해 물체면(107) 내에 생성된다.
어블레이티브 광은 단색 일 수 있다. 어블레이티브 광은 자외선을 포함 할 수 있다. 펄스 레이저(109)는 자외선을 발생시킬 수 있다. 펄스 레이저(109)는, 예를 들어 아르곤 플로라이드 레이저(argon fluoride laser)와 같은, 엑시머 레이저(excimer laser) 일 수 있다. 광의 파장은 126nm 내지 351nm 범위 일 수 있다. 광의 파장은 약 193nm 일 수 있다.
제1 라인 구조 및 제2 라인 구조는 각각 등거리 평행 라인들(equidistant parallel lines), 즉 광 강도의 최대치를 포함한다. 라인들은 도 1의 도면 시트에 수직하고, 길이 방향을 정의한다. 길이 방향과 광축(101)은 대칭 평면을 가로지른다. 대칭 평면에 대해 각도(θ) 및 거리(s)는, 예를 들어 이미징 광학계(104)의 경우 광축에 수직한 면에서, 빔들(116,118) 각각에 대해 정의된다. 각도(θ) 및/또는 거리(s)는 대칭 평면의 반대 쪽에 반대 부호를 가질 수 있다.
이미징 광학계(104)는 2 개의 빔들(116, 118)의 간섭성(coherence) 및/또는 상대 위상 위치를 수신하도록 형성 될 수 있다. 이미징 광학계의 광학 경로 길이는 (예를 들어 원통형 렌즈들로 인해 보정되지 않은 광학 요소들로 인해) 이미징 광학계로 들어오는 빔들(116, 118)의 각도(θ) 함수일 수 있다.
위상 마스크(102)는 어블레이티브 광(또는 적어도 이 광의 대부분)을 개별 각들로, 예를 들어 두 빔들(116, 118)에 대응하는 두 개의 정의된 각들로, 분배할 수 있다. 이미징 광학계(104)는 (예를 들어 위상 마스크를 통한 조명으로 인해 및/또는 하나 이상의 개구들로 인해) 개별 각들에 대해서만 사용될 수 있다. 이에 의해 선명도 및/또는 콘트라스트에 불리한 광학 경로 길이의 각도 의존성의 영향을 피할 수 있다. 이미징 광학계의 보정, 예를 들어 각도 의존성에 대한, 은 생략 될 수 있다.
두 빔들(116, 118)은 대칭 평면에 대해 대칭일 수 있다. 빔들(116, 118)의 두 각도는 동일한 값을 가질 수 있다. 두 빔들(116, 118)은 높은 콘트라스트 간섭을 위해 위상 마스크(102)와 작업 대상물(106) 사이의 동일한 광학 경로 길이를 이동할 수 있다.
도 2는 이미징 광학계(104)의 이전 또는 내부에서 광축(101)에 수직인 평면에서의 어블레이티브 광의 출력 분포(200)를 개략적으로 나타낸다. 광 출력의 분포(200)는 대칭 평면에 대한 각도(θ) 및 대칭 평면에 대한 거리(s)와 관련하여 개략적으로 표현된다. 분포(200)는 대칭 평면에 대한 각도와 관련하여 출력의 이산화된 분포를 나타낸다.
회절의 차수(order)는 제1 빔(116)의 출력(202)에 대한 예각(θ>0)을 정의한다. 다른 회절 차수는 제1 빔(118)의 출력(204)에 대한 예각(θ<0)을 정의한다. 근축 광(paraxial light)은 이미징 광학계(104)에 도달하지 않는다(적어도 비축광(off-axis light, 202, 204)의 출력과 관련하여).
원통형 렌즈는 (예를 들어, 대칭 평면 내에서) 원형의 단면을 가질 수 있다. 원통형 렌즈는 반드시 보정될 필요는 없다(예를 들어 기하학적 이미징 오차들과 관련하여). 이산 된 각도 분포(200)로 인해, 교정용 비구면 실린더(acylinder)는 이미징 광학계(104)에서 생략될 수 있다.
적어도 예시적 실시 예에서, 이미징 광학계의 광학 경로 길이는 (적어도 실질적으로) 이미징 광학계로 들어오는 빔들의 광축 또는 대칭 평면에 대한 각도 만의 함수일 수 있다. 이미징 광학계의 광학 경로 길이는 (적어도 실질적으로) 광축(101)까지의 거리(s)와 독립적일 수 있다. 이로 인해 위상 마스크의 광은 광축(101)과 겹쳐지는 폭(X)에 걸쳐 이미지화 될 수 있다.
대안적 또는 부가적으로, 폭(X)은 작을 수 있고, 예를 들어 폭(X)은 대상 폭(object width, G)에 비해 작을 수 있다. 대안적 또는 부가적으로, 빔들(116, 118)은 이미징 광학계(104)에 중첩될 수 없어서, 출력 분포(200)에 대해 개략적으로 도시된 바와 같이, 폭(X)은 대칭 평면에 대한 거리(s)에 비해 작다. 이에 의해서 이미징 광학계(104)에 대한 요구는 더욱 감소될 수 있다. 예를 들어, 더 가볍거나 더 저렴한 원통형 렌즈가 이미징 광학계(104) 내에서 사용될 수 있다.
도 3은 장치(100)의 예시적 실시 예의 개략적 단면을 도시한다. 도 3에 도시된 단면의 평면은 광축(101)에 평행하고 등거리 라인들(equidistant lines , 113)에 수직이다.
도 3에 도시된 장치(100)의 예시적인 실시 예에서, 위상 마스크(102)는 물체면(103)에 제1 라인 구조(112)를 생성한다. 제1 라인 구조가 존재하는지 여부와 전혀 관계 없이, 빔들(116, 118)은 이미지면(107)에 중첩되어 어블레이티브 라인 구조(113)를 생성하도록 형성된다.
도 3은 명확성을 위해 개략적으로 도시한 것이다. 예를 들어, 빔의 진행은 중간 초점(intermediate focus, 도 3에 도시 되지 않음)을, 예를 들어 이미징 면(imaging plane, 105)과 이미지면(107)사이에, 가질 수 있다. 대안으로, 수렴 빔들(convergent beams, 116, 118)을 갖는 중간 초점은 물체면(103)과 이미징 면(105)의 사이에 있을 수 있다.
도 3에 도시된 예시적인 실시 예에서, 두 빔들(116, 18)은 (적어도 대략) 각각 콜리메이트 빔(collimated beam)이고, 예를 들어 빔들(116, 118)은 광축에 대해 정의된 회절 각도(θ)로 위상 마스크에 의해 조사되는 것으로 정의된 회절 차수에 대응한다. 도면 번호 114-2에서의 빔들(116, 118)의 폭(X)은 도면 번호 114-1에서의 레이저(109)에 의해 조사된 폭(X)에 실질적으로 대응할 수 있다.
빔들(116, 118)의 작은 발산으로, 도면 번호 114-2에서의 폭(X)은 도면번호 114-1에서의 조사 폭(X)보다 클 수 있다. 예를 들어, 이미징 면(105)에서 (또는 이미징 광학계(104)의 바로 앞에서) 폭(X)은 물체면(103) 내에서의(또는 위상 마스크(102)의 바로 뒤에서의) 폭(X)보다 최대 10% 더 클 수 있다.
빔들(116)은 이미징 광학계(104)의 입력 측 광축(101)을 (적어도 대략) 정의된 각도 +θ 또는-θ로 둘러싸고 있다. 이미징 광학계(104)에 의한 빔들(116, 118)의 이미징은 오직 하나의 (적어도 대략) 이산 각도 범위 만을 이용한다. 또한, 광축에 대칭인 빔들(116, 118)의 진행 및 광축(101)에 대칭인 이미징 광학계(104)의 배열로, 이미징 된 각도는 (적어도 대략) 동일한 값이다.
단지 하나의 각도 값을 갖는 이미징은 이미지화된 빔들의 간섭을 개선 및/또는 이미징 광학계(104)에 대한 요구를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 하나의 원통형 렌즈로 빔들(116, 118)의 파면의 왜곡이 예상될 지라도, 특히 선명(sharp) 및/또는 고 콘트라스트 라인 구조(113)가 가능해 질 수 있다.
라인 구조(113)는 등거리 라인을 가로 지르는 이미지면(107)에서 직사각형 프로파일을 가질 수 있다. 이미징의 높은 선명도는 직사각형 프로파일의 가파른 측면에 해당할 수 있다. 대안적으로, 라인 구조(113)는 등거리 라인들을 가로지르는 이미지면(107)에서 정현파 강도 분포를 가질 수 있다.
콘트라스트가 높은 경우, 라인 구조(113)의 최소 강도는 실질적으로 방사선-프리(radiation-free)일 수 있고, 강도 분포의 골짜기에서 작업 대상물(108)은 미처리 상태로 남는다.
도 3은 이미징 광학계에서 분리된 빔들(116, 118)을 갖는 예시적 실시 예를 나타낸다. 대칭 평면으로부터의 빔들(116, 118)의 거리(W)는 빔들(116, 118)의 폭(X)에 비해 커질 수 있다.
도 4 및 도 5는 위상 마스크(102)의 예시적 실시 예에 대한 장치(100)의 섹션(300)을 나타낸다. 이미징 광학계(104)는 라인(112)에 평행하게 정렬된 원통형 렌즈를 포함한다. 원통형 렌즈의 반경은 이미징 면(105) 내에서 대칭 평면으로부터 빔들(116, 118)의 거리(W)에 비해 크다. 원통형 렌즈(104)는 반드시 원통형으로 보정되는 것은 아니다.
도 4는 위상 마스크(102)의 제1 구성을 도시하고, 빔들(116, 118)은 첫번째 두 회절 차수(+1 및 -1)에 대응된다. 제1 구성은 두 빔들(116, 118)에 대한 어블레이티브 광(110)의 출력의 대칭적인 분포를 용이하게 할 수 있다.
도 5는 위상 마스크(102)의 제2 구성을 도시하고, 빔(116)은 0차 회절에 대응되고 빔(118)은 1차 회절에 대응된다. 제2 구성은 소산 구멍없이 근축광의 완전한 억제를 용이하게 할 수 있다.
원통형 렌즈(104)는 길이 방향으로 작업 대상물(108)의 확장 가공 할 수 있게 한다. 가공 영역은 홀더(106)에 의해 가공 대상물을 이동시킴으로써 추가로 확장된다. 홀더(106)는 레이저(109)의 중단없는 펼스 작동으로 이미지면(107) 내에서 연속적으로 작업 대상물(108)을 이동시킨다. 대안적 또는 부가적으로, 홀더는, 예를 들어 곡면 가공을 하기 위해, 작업 대상물을 회전시킨다. 회전은 현재 처리 영역의 순간적인 보통 교차점을 중심으로 발생한다.
예를 들어, 작업 대상물은 가로 방향으로 연속적으로 이동되어, 선행 펄스에 의해 처리된 영역과 처리의 중첩 영역에서 레이저(109)의 각 펄스로 이미지화된 평행 라인들은 일치한다. 펄스 지속시간과 피드 속도(feed rate)의 곱은 이미지화 된 라인의 폭에 비하여 작기 때문에, 시간 소모적인 시동(start-up) 및 감속 프로세스를 피할 수 있다.
위상 마스크(104)를 사용함으로써, 레이저(109)의 영향은 작업 대상물(108)을 처리하는데 거의 완전히 이용될 수 있다.
작업 대상물(10)은 유리를 포함할 수 있다. 이 기술은 유리 세라믹, 안경 렌즈 또는 기본 포장재로 호브(hob)의 식별 또는 표면 가공에 사용할 수 있다.
예시적인 실시 예들 각각에서, 진폭 마스크(amplitude mask)는 작업 대상물(108)과 이미징 광학계(104) 사이, 예를 들어 이미지면(107), 내에 배치될 수 있다. 진폭 마스크는 선 구조로 구성된 표현을 용이하게 할 수 있다. 표현은 그래픽, 로고, 픽토그램 또는 기계 판독 코드일 수 있다. 기계 판독 코드는 일차원 적, 예를 들어 바코드으로 구조화 되거나 이차원적, 예를 들어 QR 코드로 구조화될 수 있다.

Claims (11)

  1. 작업 대상물(108) 상에 주기적인 라인 구조의 어블레이션(ablation) 생성을 위한 장치 (100)에 있어서,
    어블레이티브 광(ablative light, 100)을 생성하기 위한 펄스 레이저(pulsed laser, 109);
    어블레이티브 광(110)의 빔 경로에 배치되고 간섭에 의해 물체면(object plane, 103)에 복수의 등거리 평행 라인들(112)을 생성하고 광축(optical axis, 101)에 평행한 회절의 차수(order)를 억제하기 위해 형성되는 위상 마스크(phase mask, 102), 여기서 광축(101)은 물체면(103)에 수직;
    라인들(112)에 평행하게 정렬되고 물체면(103)을 이미지면(image plane, 107)으로 이미지화하기 위해 형성된 원통형 렌즈와 함께 광축(101) 상에 배열 된 이미징 광학계(imaging optics, 104); 및
    작업 대상물(108)을 이미지 평면(107)에 배치하도록 형성된 홀더(106)를 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    비-억제된 회절 차수들(116, 118)는 광축(101)과 별개의 각도를 갖고, 원통형 렌즈는 비구면 실린더(acylindrical) 보정을 갖지 않는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    비-억제된 회절 차수들(116, 118) 및 이미징 광학계(104)는 광축(101)에 대해 대칭인 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    위상 마스크는 제1 폭(114-1)에 걸쳐 물체면(103)에 복수의 등거리 평행 라인들(112)을 생성하도록 형성되고,
    이미징 광학계(104)는 광축(101) 상에 배치되어, 이미징 광학계(104) 내의 비-억제된 회절 차수들(116, 118)은 제1 폭(114-1)에 대응하는 제2 폭(114-2)에 걸쳐 광축(101)으로부터 이격 되는 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    작업 대상물은 라인들(112, 113)에 수직한 이미지면(107)에 이동 가능하게 배치되는 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    홀더(106)는 이미지면(107)에 평행하고 이미지화된 등거리 라인들(113)에 수직한 작업 대상물(108)을 일정한 피드 속도(feed rate)로 이동시키도록 형성되는 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    펄스 레이저(109)의 반복 속도(repetition rate, r)와 홀더(106)의 피드 속도(v)는
    v = r·b·n (n은 정수)
    로 동기화 되고,
    여기서 b는 이미지화 된 등거리 라인들(113)의 주기성(periodicity)인 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    2개의 연속적인 펄스들 사이의 피드(feed)는 이미지 측 상의 폭(115)의 정수 부분인 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    이미징 광학계(104)는 등거리 평행 라인들(112)에 평행하게 감소하는 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    이미징 광학계(104)와 이미지면(107) 사이에 배치되는 진폭 마스크를 더 포함하는 장치.
  11. 작업 대상물(108)에 주기적 라인 구조의 어블레이티브 생성을 위한 방법에 있어서,
    펄스 레이저(109)에 의해 어블레이티브 광(110)을 생성하는 단계;
    간섭에 의해 물체면(103) 내에 복수의 등거리 평행 라인들(112)을 생성하고 광축(101)에 평행한 회절의 차수를 억제하기 위해 어블레이티브 광(110)의 빔 경로 상에 위상 마스크(102)를 배치하는 단계, 여기서 광축(101)은 물체면(103)에 수직;
    라인들(112)에 평행하게 정렬되고 광축(101) 상에 배열되는 원통형 렌즈에 의해 이미지면(107)으로 물체면(103)을 이미징하는 단계; 및
    이미지면(107)에 작업 대상물(108)을 배치하는 단계를 포함하는 방법.
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