KR20200037306A - 박막을 가공하는 레이저 장치 및 방법 - Google Patents

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조슈아 쉔리
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Abstract

기판 상에 피착된 박막의 파이버 레이저 가공 방법은 빔-성형 유닛을 통해서 박막 상으로 안내되는 하나 이상의 파이버 레이저로부터 레이저 빔을 제공하는 단계를 포함한다. 빔-성형 광학계는 레이저 빔을 박막 표면 상의 제1 조사 박막 영역(Ab)을 조사하는 라인 빔으로 성형하도록 구성되며, 상기 조사 박막 영역(Ab)은 박막 영역(Af)의 일부이다. 빔 성형 광학계 및 필름을 제1 방향으로 서로에 대해 연속 조사 사이에서 거리(dy)를 두고 연속적으로 변위시킴으로써, 일련의 균일한 조사 박막 영역(Ab)이 필름 표면 상에 형성되어 제1 세장형 칼럼을 형성한다. 이후 빔 성형 광학계 및 필름은 제1 방향을 가로지르는 제2 방향으로 서로에 대해 거리(dx)를 두고 변위되며, 거리(dx)는 조사 필름 영역(Ab)의 길이보다 작다. 각각의 칼럼을 형성하기 위해 수행되는 단계에 의해, 세장형 칼럼은 상호 중첩되어 소망 박막 영역(Af)을 커버한다. dx 및 dy 거리는 필름 영역(Af)의 각 위치가 누적 미리결정된 기간 동안 성형 레이저 빔에 노출되도록 선택된다.

Description

박막을 가공하는 레이저 장치 및 방법
본 개시내용은 레이저 빔보다 큰 규모의 크기를 갖는 유리 패널 상에 피착된 박막의 2차원(2D) 레이저 가공 방법에 관한 것이다. 본 개시내용은 또한 개시된 공정을 균질기(homogenizer)와 조합하여 실현하는 파이버 레이저에 관한 것이다.
유리 패널 디스플레이를 제조하기 위한 현재 인기있는 방법 중 하나는 디스플레이 기술분야의 통상의 기술자에게 주지되어 있는 엑시머 레이저 저온 다결정 실리콘(low-temperature polycrystalline silicon: LTPS) 어닐링 공정을 이용한다. LTPS 시스템의 생산에서, 펄스형 엑시머 레이저의 장방형 출력은, 통상적으로 패널의 폭 또는 절반폭에 해당되는 길이를 갖는 길고 얇은 라인 빔으로 상당히 재성형된다. ELA(excimer laser annealing) 공정에 사용되는 엑시머 레이저는 펄스당 높은 에너지를 가지며 반복율이 낮다. 이로 인해 상기 엑시머 레이저는 대형 패널의 단일 라인 어닐링에 적합하며, 라인 빔은 전체 패널 폭 또는 이 폭의 적어도 절반을 포위한다. 이로 인해 전체 패널이 레이저 아래를 1회 또는 2회 통과함으로써 가공될 수 있다.
그러나, 높은 에너지를 초래하는 KHz 주파수에서, 그 자체가 대단히 비싸고 번거로운 엑시머 레이저는 대략 48시간의 종일 작동 기간 중에 복수의 가스 교환을 필요로 하며, 이 또한 이들 레이저의 작동 비용을 비싸게 만든다. 엑시머 레이저의 상기 및 기타 필요한 속성은 이들 엑시머 레이저를 상당히 비효율적으로 만들고 엑시머 레이저 소스의 소유 및 운용의 전체 비용을 매우 높게 만든다.
엑시머 레이저의 상기 단점은 연속파(continuous wave: CW), 준연속파(quasi CW: QCW) 버스트 모드 체제에서 작동하는 파이버 레이저의 광범위한 사용으로 이어지며, 상기 체제는 두 개의 상이한 반복율, 즉 비교적 긴 펄스인 버스트에 대한 반복율(버스트 반복율(BRR) 또는 버스트 반복 주파수(BRF)를 특징으로 함) 그리고 각 버스트 내의 펄스에 대한 반복율(캐리어 펄스 반복율(PRR))을 특징으로 한다. 주지되어 있듯이, 파이버 레이저는 매우 효율적이고, 사실상 유지 보수가 필요없으며, 저렴한 견고한 광원이다.
LTPS 시스템에 사용되는 파이버 레이저는 예를 들어, a-Si 필름의 스폿 빔 결정화를 위한 QCW, 펄스형 및 심지어 CW 파이버 레이저를 개시하는 PCT/US2017/012716호(PCT '716)에 개시되어 있다. PCT '716에 개시된 시스템은 전체 필름에 걸쳐서 스캐닝된 레이저 빔에 의해 일방향으로 완전히 커버될 수 있는 소형 패널에 적용될 수 있다. 특히, 필름 상에 생성되는 용융된 지역은 스캐닝 방향으로 병진 이동되어 기판의 전체 폭에 걸쳐서 각각의 후속 영역을 점진적으로 가열한다.
그러나, 엑시머 레이저 소스와 동등한 총 파워 출력을 출력하도록 구성된 버스트 모드 파이버 레이저를 포함하는 QCW 파이버 레이저는 일반적으로 더 낮은 규모의 펄스 에너지와 더 높은 규모의 필수 반복율을 갖는다. 펄스 에너지가 너무 낮아서 단일 파이버 레이저로부터의 라인 빔은 패널 폭이 라인 빔의 길이보다 큰 경우에 전체 패널을 커버할 수 없다.
이러한 이유로, PCT US 16/40222호에 개시되어 있듯이 부분 라인 빔을 라인 빔의 장축/스캐닝 방향으로 함께 스티칭할 필요가 있으며, 따라서 결과적인 폴리-Si 입자 구조는 빔 길이보다 큰 관심 구역에 걸쳐서 연속적이다. 이 관심 구역은 전체 패널 영역이거나 그 일부일 수 있다.
긴 빔 축 내의 두 개의 인접한 라인을 함께 스티칭하게 되면 PCT '716에 의해 발생하지는 않지만 그 전체가 본 명세서에 참조로 원용되는 US 14/790,170호(US '170)에서 인정되는 중대한 과제가 제공된다. 이상적으로, 각각의 라인 빔은 완전히 날카로운 에지를 가지며 인접한 빔의 에지는 정확히 맞닿을 것이다. 이것은 라인 빔 에지의 회절 제한된 점상 분포 함수 샤프니스 및 기계적 정확도의 한계로 인해 물리적으로 실현될 수 없다. 예를 들어, 라인 빔의 단부는 항상 어느 정도의 부드러움을 갖는다. 어느 정도의 스티칭 가능성이 있지만, 빔이 스티칭되는 것과 상관없이, 인접한 빔 사이의 이음매에는 어느 정도의 인공물이 존재할 가능성이 매우 높으며, 그 결과 p-Si 입자 구조의 얼마간의 불연속성이 초래될 것이고 이는 결국 어닐링된 패널의 품질 저하를 초래할 것이다.
또한, 빔 스티칭은 낮은 콘트라스트와 불균일한 휘도를 특징으로 하는 레이저 가공된 기판에서 관찰되는 현상인 무라(Mura)의 형성을 수반하며, 레이저 가공된 기판에 "얼룩진(rippled)" 외형을 제공할 수 있다. p-Si 기판의 품질이 열악하기 때문에 무라는 허용될 수 없으며 결함으로 간주된다.
따라서, 인접한 빔의 스티칭이 필요하지 않도록, 박막 영역(Af)보다 훨씬 작은 파이버 레이저 라인 빔을 사용하여 기판 패널 상의 큰 박막 영역을 가공하는 방법이 요구된다.
개시된 방법을 실현하는, 균질기로 구성된 파이버 레이저 또한 요구된다.
상기 개시된 요구를 충족시키는 본 발명의 방법은 FLA(Fiber Laser Annealing) 비정질 Si 어닐링, SLS(Sequential Lateral Solidification) 비정질 Si 어닐링, 도핑 불순물 활성화(Doping Impurity Activation), 실리콘 카바이드(SiC) 어닐링(예를 들어, 옴 접촉) 및 폴리이미드 LLO(Laser Lift Off) 용도를 어떠한 제한 없이 포함하는 다양한 용도에 적용된다. 개시된 방법은 칼럼으로도 지칭되는 인접한 조사 박막 영역 사이에 제2 방향(X)으로 중첩을 제공함으로써 스티칭을 제거하는 반면에, 각각의 칼럼은 필름 영역을 제1 방향(Y)으로 조사함으로써 형성된다. 칼럼 사이의 거리(dx) 및 각 칼럼 내의 인접한 조사 영역 사이의 거리(dy)를 제어 가능하게 변경함으로써, 필름 영역(Af)의 각각의 조사 위치당 펄스의 소망 누적 노출 기간(od)/횟수 및 온도가 달성된다. 따라서, 개시된 방법은 2D 공정으로도 지칭된다.
특히, 박막을 파이버 가공하는 개시된 2D 방법은 버스트 체제에서 작동하며, 100 KHz보다 높은 것이 바람직하고 최대 1 GHz까지 높을 수 있는 캐리어 펄스 반복율(PRR)로 레이저 빔을 출력하는 QCW 파이버 레이저를 사용하여 실현된다. 레이저 빔은 광학 빔 성형 유닛을 통한 경로를 따라서 전파된다. 이어서 성형된 빔(라인 빔)은 필름에 입사되어, 필름 표면 상에 제1 조사 박막 영역(Ab)을 형성한다.
이후, 성형 레이저 빔 및 기판은 바람직하게 연속적으로 제1 방향(Y)으로 서로에 대해, 조사 박막 영역(Ab)의 폭보다 작거나, 크거나, 이 폭과 동일한 거리(dy)를 두고 변위된다. 따라서, 인접한 조사 영역(Ab)은 제1 방향(Y)으로 상호 중첩되거나, 인접하거나, 이격될 수 있다. 그 결과, 필름 상에 형성되는 세장형 칼럼은 일련의 균일하게 조사된 박막 영역(Ab)에 의해 규정된다.
라인 빔의 길이에 대응하는 폭을 갖는 칼럼의 완성에 이어서, 박막 및 빔 성형 유닛을 제2의, 스캐닝 방향(X)으로 거리(dx)를 두고 변위시킨다. 거리(dx)는 이전에 형성된 칼럼의 폭보다 짧도록 선택된다. 따라서 칼럼은 제2 방향으로 중첩되며 이로 인해 인접한 칼럼의 후속 스티칭이 필요없게 된다.
공정은 필름 영역(Af)의 소망 부분 또는 전체 필름 영역(Af)이 가공될 때까지 계속된다. 따라서 가공된 필름은 그 각각의 위치가 버스트의 소정의 누적 기간/횟수 동안 성형 레이저 빔에 노출되며, 박막의 조사 영역(Af)은 균일한 플루언스(fluence)를 특징으로 한다. 결과적으로, 조사 필름 영역(Af)은 소망 미세구조 또는 다른 특성, 예를 들어 표면 시트 저항 또는 접촉 저항을 갖는다.
본 방법을 실현하는 개시된 파이버 레이저 시스템은 조사될 박막 영역(Af)을 지지하는 다축 스테이지로 구성된다. 적어도 하나의 파이버 레이저 소스는 광학 빔 성형 유닛에서 가공된 레이저 빔을 출력한다. 광학 빔 성형 유닛은 레이저 빔을 소망 기하학적 치수, 강도 프로파일 및 최적 파워를 갖는 라인 빔으로 성형하여, 총 박막 영역(Af)의 일부인 제1 조사 박막 영역(Ab)을 형성하도록 구성된다. 본 발명의 2D 방법에 따른 박막 영역(Af)의 가공은 인접한 칼럼이 제2 x방향으로 상호 중첩되고 각 칼럼의 개별 조사 필름 영역(Ab)이 제1 y방향으로 상호 중첩되도록 프로세서에 의해 제어된다. dx 및 dy 거리는 필름 영역(Af)의 가공된 전체 또는 부분의 각 위치가 성형 빔에 대해 미리결정된 횟수 노출되는 바, 즉 소정 노출 기간 동안 조사되고, 미리결정된 온도를 갖도록 선택된다.
본 발명의 파이버 레이저 시스템은 결상 또는 비결상(non-imaging) 플라이 아이(fly's eye), 바이-프리즘(bi-prisms), 또는 레이저 빔의 분할과 관련된 임의의 다른 공지된 구성과 같은 균질기와 조합하여 버스트 모드 QCW 파이버 레이저를 사용하여 구성될 수 있다. 이 실시예의 현저한 특징에 따르면, 복수의 지연 유리 쌍이 균질기에 통합되며, 상기 복수의 지연 유리 쌍은 균질기 부품의 제조 공차를 보정하도록 구성된다. 특히, 각각의 지연 유리 쌍은 필름의 표면 상의 공통 초점 평면에 다중 빔렛(beamlet)을 형성하여 레이저 빔을 3 내지 50㎛의 폭과 1 내지 10cm의 길이를 갖는 좁은 라인 빔으로 성형하기 위해 직교 평면에서 서로에 대해 선형으로 변위 가능하고 회전 가능한 두 개의 렌즈를 구비한다.
개시된 시스템 및 방법의 다수의 특징은 각각의 특징을 열거하는 종속 청구항에서 보다 명백해지듯이 교환 가능하게 사용될 수 있다.
본 발명의 방법 및 장치에서 부분적으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있는 상기 및 기타 양태 및 특징은 하기 도면으로부터 보다 쉽게 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따라 가공된 박막 영역(Af)의 개략도이다.
도 3은 다중-빔렛 결상 플라이 아이 균질기 및 횡축 대물 렌즈이다.
도 4 및 도 5는 균질기의 각각의 도시도이다.
도 6의 (a), 도 6의 (b), 도 7의 (a), 도 7의 (b), 도 8의 (a) 및 도 8의 (b)는 광학 부품의 있을 수 있는 제조 결함을 도시하는 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 지연 유리 쌍의 측면도 및 등각도이다.
도 10 및 도 10b는 각각 균질기의 광학 개요의 측면도 및 평면도이다.
이제 개시된 시스템을 상세하게 언급할 것이다. 가능한 한, 동일하거나 유사한 부분 또는 단계를 지칭하기 위해 동일하거나 유사한 참조 부호가 도면 및 설명에서 사용된다. 도면은 정확한 스케일과는 거리가 있는 간략화된 형태이다. 편의성 및 명확성만을 위해서, 용어 "연결한다", "결합한다" 및 그 어형변화 형태소를 갖는 유사한 용어는 반드시 직접적이고 즉각적인 연결을 나타내는 것이 아니며, 중재 요소 또는 장치를 통한 연결을 포함한다.
개시된 방법은 박막을 가공하기 위해 CW 또는 QCW 버스트 레이저 빔을 이용한다. 개시된 방법은 라인 빔에 의해 조사되는 개별 또는 부분 필름 영역(Ab)보다 큰 규모의 박막 영역(Af)을 가공하도록 구체적으로 조정된다. 공지된 종래 기술과 대조적으로, 연속적인 부분 조사 필름 영역(Ab)을 직교하는 제1 y방향 및 제2 x방향으로 스티칭하는 것이 전혀 필요하지 않다. 본 개시내용에 기재된 방법은 FLA(ELA 등가) 비정질 Si 어닐링, SLS 비정질 Si 어닐링, SiC 어닐링(예를 들어, 옴 접촉), 및 폴리이미드 LLO 용도를 포함하지만 이것에 한정되지 않는 용도에 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2는 50 내지 500ns 사이의 가변 버스트 기간을 갖는 나노초(ns) 버스트를 출력하는 QCW 파이버 레이저 소스(100)를 포함하는 본 발명의 시스템을 예시하고 있다. 버스트 체제는 버스트 반복율(BRR)로 출력되는 긴 펄스 또는 버스트를 특징으로 하며; 각각의 버스트는 당연히 BRR보다 높은 100 MHz 내지 1 GHz 범위의 캐리어 펄스 반복율(PRR)로 출력되는 짧은 펄스로 분할된다.
박막 가공에 이용되는 파이버 레이저에 있어서 전형적인 바와 같이, 파이버 레이저 소스(100)는 1 미크론 범위에서 각각 작동하는 하나 이상의 Yb QCW 레이저를 구비하며, 상기 레이저 각각은 통상의 기술자에게 주지된 방식으로 532 nm 및 355 nm와 같은 각각의 5xx nm 및 3xx nm에서 2차 또는 3차 고조파를 각각 효과적으로 발생시키는데 필요한 대체로 공간적 및 시간적으로 간섭성(coherent) 광을 출력한다. 그러나 파이버 레이저의 상당히 매력적인 특징인 간섭성은 종횡비가 높은 고정된 균질한 라인 빔을 얻으려면 감소되어야 한다.
레이저 빔의 성형은 파워 감쇠기, 시준기 및 일부 경우에 편광 제어기와 같은 사전-균질기 광학계(104)를 구비할 수 있는 광학 빔-성형 유닛(102)에서 이루어진다. 빔 성형 유닛(102)의 심장부는 균질기(106)이며, 이것은 이하에서 충분히 상세하게 논의된다. 한편, 성형 레이저 빔은 후술하듯이 균질기-이후(post-homogenizer) 광학계(108)에 의해 추가로 안내된다.
통상의 기술자에 의해 잘 이해되듯이, 균질기(106)는 다수의 파이버 레이저 소스(100)를 위한 빔 조합기로서 기능할 수도 있다. 대안적으로, 다수의 레이저 소스(100)는 도시된 예와 유사한 각각의 광학 체제와 관련되며, 이는 다수의 라인 빔을 박막 표면에 송달한다.
박막(110)은 레이저 소스(100) 및 빔 성형 유닛(102)에 대해 제1 y방향 및 제2 x방향으로 변위될 수 있는 스테이지(112) 상에 지지된다. 상대 변위는 이들 부품 중 어느 하나가 이동 가능하고 다른 하나가 정지되어 있거나 또는 양 부품이 서로에 대해 이동하는 것을 의미한다. 바람직하게, 스테이지(112)는 제1(y) 방향 및 제2(x) 방향으로 이동하도록 작동하는 다축 부품이다. 박막 영역(Ab)을 조사하는 개별 균질화된 빔의 단일 버스트는 제1 방향 또는 제2 방향 또는 제1 및 제2 방향으로 소망 공간 강도 프로파일을 갖는다. 가우시안(Gaussian), 슈퍼 가우시안, 또는 플랫 탑(flat top) 프로파일 중 어느 하나가 의도된 목적에 적용될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 앞서 논의된 시스템의 작동 원리를 도시한다. 특히, 이하의 설명은 필름(110)이 제1 Y방향 및 제2 X방향으로 조사되는 2D 공정에 관한 것이다. 본 발명은 대면적의 박막을 가공하는 파이버-기반 레이저 방법이 작은 파이버 레이저 빔으로 실현됨을 개시한다는 것을 기억해야 한다. 그 결과, 균질화된 라인 빔에 의해 조사되는 부분 필름 영역(Ab)은 조사될 소망 필름 영역(Af)보다 규모가 작다. FLA 공정은 어느 곳에서나 위치당 2-50회의 노출을 요구하며, 실질적으로 균일한 치수의 입자를 얻기 위해서는 위치당 10-30회의 노출이 통상적이다. 종래 기술은 SLS 및 FLA 어닐링 양자에서 연속적인 조사 필름 영역(Ab)을 연속적으로 스티칭함으로써 이들 문제에 대처했다. 불행히도, 그 결과는 가공된 필름 영역(Af)의 품질에 대한 요구를 거의 충족시키지 못했다. 제2 스캔 방향(X)에서 특히 당혹스러운 결과가 얻어졌다. 그러나 본 발명의 방법은 양 방향으로의 중첩을 허용한다. 제2 방향(X)으로의 스텝 크기 또는 거리(dx)는 무라 현상을 배제하기 위해 작다.
도 2a를 참조하면, 균질화된 라인 빔에 의해 조사되는 부분 박막 영역(Ab)(114)은 3 내지 50㎛ 사이의 임의의 폭(Wb)과 상기 폭(Wb)보다 훨씬 더 큰 길이(Lb)(500-1000)를 가질 수 있다. 도 2b를 참조하면, 제1 부분 박막 영역(Ab)(116_1)을 조사할 때, 도 1의 스테이지(112) 및 빔 성형 유닛(102)은 제1 방향(Y)으로 제1 칼럼(124)을 형성하기 위해 거리(dy)를 두고 서로에 대해 순차적으로 변위되며 영역(Ab)(116n)은 제1 칼럼(124)의 하부 조사 영역이다. 거리(dy)는 변할 수 있으며, 미리결정된 임계치를 초과하는 순차 조사 사이의 열적 포지티브 피드백을 방지하도록 선택된다. 열적 포지티브 피드백은 중첩된 필름 영역 내의 위치의 온도가 엄청나게 높다는 것을 나타내며 이는 버스트 에너지 임계치가 초과되었음을 나타낸다.
최소 가능 거리(dy)는 이하의 방식으로 결정될 수 있다. 제1 버스트 에너지(Ebo= P레이저 소스/BRR)를 갖는 개별 버스트에 의해 조사되는 제1 필름 영역(Ab)을 형성한다고 가정한다. 조사 영역(Ab)의 미세 구조를 분석한 후에, 통상의 기술자는 이 영역이 너무 많이 가열되었는지, 너무 적게 가열되었는지 또는 양호한지를 결정할 수 있다. 후자를 가정하고 버스트 에너지(Ebo)를 알고 있으면, 후속 영역(Ab)은 영역(Ab)의 폭(Wb)(도 2b)보다 큰 거리(dy1)에 형성된다. 즉, 두 개의 인접한 영역(Ab)은 서로 이격되어 있고, 각각의 제1 및 제2 영역(Ab)의 열적 조건은 서로 독립적이다. 버스트 에너지(Ebo)가 실제로 최적하거나 최대인 것을 보장하기 위해 제2 영역(Ab)을 분석한 후에, 조작자는 연속적으로 형성된 영역(Ab)이 상호 중첩되도록 거리(dy2)를 선택한다. 중첩된 영역이 여전히 소망 미세 구조를 갖는 경우, 거리(dy)는 다시 감소되고 추가 버스트는 제1 필름 영역(Ab)의 더 큰 영역과 중첩하는 추가 영역(Ab)을 형성한다. 거리(dy)가 점점 작아질수록 중첩 영역 내의 필름은 점점 더 가열된다. 따라서, 버스트 에너지(Eb)는 최적의 버스트 에너지(Ebo)보다 점진적으로 낮아진다. 버스트 에너지(Ebo)가 FLA의 허용 가능한 품질을 제공하기에 충분한 가능한 최저 에너지인 약 50% Ebo로 감소되면, 대응하는 거리(dy)는 제1 방향(Y)으로 가능한 최소 거리인 것으로 간주되며, 이 거리의 임의의 추가 감소는 엄청나게 과열된 중첩 필름 영역으로 이어질 수 있을 뿐이다. 따라서, 최적의 버스트 에너지가 50% Ebo로 저하되는 것은 가능한 최소의 dy 거리를 나타내며, 스텝 임계치로도 지칭된다. 궁극적으로, 물론, 이 임계치는 90%, 80%, 70%, 및 60%일 수 있는데, 이는 숙련된 전문가에 의해 도출되는 결론에 완전히 의존하기 때문이다.
도 2b에 도시되어 있듯이, 이 거리(dy)는 영역(Ab)의 폭(Wb)보다 작으며 이는 형성된 칼럼 각각의 연속적인 부분 영역(Ab) 사이의 중첩을 제공한다. 그러나 이 거리는 폭(Wb)과 동일할 수도 있다. 또한, 거리(dy)가 폭(Wb)보다 크게 선택되면, 인접한 영역(Ab)은 제1 방향(Y)으로 이격된다. 이 경우, 인접한 조사 영역 사이에는 중간 비조사(un-irradiated) 영역이 형성된다. 선택된 거리(y)가 임계치에 대응하지 않는 경우에 중간 비조사 영역은 후속 스캔을 통해서 레이저 라인 빔으로 조사될 수 있다.
제1 칼럼(124)이 완전히 형성된 후, 스테이지(112) 및 빔 성형 유닛은 제2 방향(X)으로 거리(dx)를 두고 변위된다. 거리(dx)가 부분 영역(Ab)의 길이보다 짧기 때문에, 도 2a에 더 잘 도시되어 있듯이, 각각의 인접한 칼럼의 대응하는 부분 영역(Ab)은 제2 방향(X)으로 중첩된다. 제2 칼럼(126)의 제1 영역(Ab)이 형성된 후, 스테이지(112) 및 빔 성형 유닛(102)은 제2 칼럼(126)을 형성하는 후속 부분 영역(Ab)을 형성하기 위해 제1 방향(Y)으로 서로에 대해 변위된다. 사용 시에, 대개 스테이지(112)에 의해 실현되는 제1 방향(Y)으로의 상대 변위는 연속적이며 초당 수백 밀리미터를 초과하지 않는다. 이러한 속도는 제2 방향(X)으로 각 칼럼(124, 126, 128, 130)의 부분 영역(Ab)의 정렬에 거의 영향을 미치지 않으며 쉽게 허용될 수 있다. 공정은 소망 개수의 칼럼(1XX)의 추가 형성으로 이어진다. 소망 박막 영역(Af)이 필름(110)의 전체 영역에 대응하는지 또는 이 필름을 지지하는 패널에 대응하는지 또는 전체 영역의 단지 세그먼트에 대응하는지에 관계없이, 상기 개시된 공정은 변함없이 유지된다. 전체 필름 영역을 완전히 가공하기 위해, 제2 방향(X)으로 이격된 필름의 에지는 균질화된 라인 빔의 일부만을 수용한다. 통상적으로, 에지 영역(ER)은 dx 거리를 초과하지 않는 제2 방향(X)으로의 폭을 갖는다. 그렇지 않으면, 필름(110)의 단부 영역은 이들 영역의 소망 필름 미세 구조를 제공하기에 충분히 가열 및 냉각되지 않는다. 상기 작동은 모두 프로세서(125)에 의해 제어된다.
도 3은 균질기(106)를 도시한다. 많은 빔 균질기는 동일한 원리로 작동하며: 빔은 빔렛들로 분할되고 이들 빔렛은 이후 상하로 적층된다. 따라서, 바이-프리즘, 축외 실린더 렌즈 및 기타 공지된 구성 중 임의의 것이 개시된 시스템에 원칙적으로 통합될 수 있다. 최상의 실험 결과는 결상 및 비결상 플라이 아이 균질기에 의해 얻어졌으며, 결상 플라이 아이 구성은 도 3 내지 도 5에 도시되어 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 결상 플라이 아이 균질기(106)는 통상의 기술자에게 알려져 있듯이 레이저 빔을 복수의 빔렛(134)으로 분할하는 두 개의 이격된 렌즈릿(lenslet)(130, 132) 어레이로 구성된다. 빔렛은 제2 방향(X)으로 신장되며 집광 렌즈(136)에 의해 박막(110)의 표면에서 병합된다. 그러나 이들 빔렛은 제1 방향(Y)으로 다소 오프셋될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 빔렛은 각각의 신장된 빔렛을 필름(110)의 표면 상에 집속시키는 원통형 대물 유닛(140)을 통해서 안내된다. 그 결과, 제1 방향으로의 빔렛 사이의 오프셋이 최소화된다. 또한, 대물 유닛(140)은 좁은 축에서 소망 강도 프로파일[가우시안, 슈퍼 가우시안, 탑 햇(top hat)]을 제공하도록 설계된 적어도 하나의 비원통형 표면을 포함할 수 있다.
집광 렌즈(136)와 대물 유닛(140)의 상대 위치는 서로에 대해 고정되지 않는다. 따라서, 도 4에서는 집광 렌즈(136)가 렌즈(140) 앞에 도시되어 있지만, 이들 렌즈의 반대 위치가 허용된다. 본 개시내용의 맥락 내에서, 렌즈(136, 140)의 어느 하나 또는 양자는 도 1에서 균질기 이후 광학계(108)의 일부인 것으로 간주된다.
추가로, 균질기(106)는 렌즈릿 어레이(132)의 하류에 위치하는 다수의 지연 유리 쌍(142)으로 구성된다. 알려져 있듯이, 지연 유리 쌍은 일체의 남아있는 간섭성을 더 완화시키기 위해 신장된 빔렛을 하나에 대해 지연시키며 도 1의 보정 광학계(115)를 구성한다.
본 발명의 다른 현저한 특징에 따르면, 순차 지연 유리 성형 쌍(142)은 후술하듯이 간섭 효과 및 렌즈릿 제조 공차의 동시 완화를 가능하게 한다.
도 6의 (a), 도 7의 (a) 및 도 8의 (a)는 렌즈릿 및 원칙적으로 지연 유리와 같은 다른 균질기 부품의 생산 중에 생성되는 상이한 제조 결함을 도시한다. 도 6의 (a) 및 도 7의 (a)는 이상적인 대칭 축(A-A) 대신에 원통형 렌즈가 경사진 축(A'-A')으로 제조될 때 발생하는 축방향 비틀림을 도시한다. 축방향 비틀림은 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 라인 빔렛을 회전시킨다. 렌즈는 도 8의 (a)에 도시하듯이 쐐기-중심 두께가 변화하는 상태로 제조될 수 있다. 이 결함은 라인 빔을 시프트시키며 그 결과 개별 라인 빔렛은 도 7의 (b)에 도시하듯이 상호 오프셋된다. 축방향 비틀림 및 쐐기 결함의 존재는 도 8의 (b)에 도시하듯이 빔렛이 박막의 표면 상에서 서로에 대해 동시에 회전하고 비틀리는 결과를 초래한다. 이들 제조 결함은 모두 본 발명에 따라 구성된 개별 지연 유리 쌍(142)을 사용하여 수정될 수 있다.
도 9a와 도 9b 및 도 10a와 도 10b를 참조하면, 공지되어 있듯이, 지연 유리 쌍(142)은 그 사이에 갭(154)이 형성되는 각각의 볼록면 및 오목면(150, 152)이 제공되는 포지티브 렌즈 및 네거티브 렌즈(146, 148)를 구비하며, 오목면(150)은 볼록면(152)의 그것보다 다소 작다. 렌즈(146, 148)를 공통 종축(145)(도 9a)을 따라서 서로를 향해서 및 서로 멀어지게 변위시키면 갭(154)과의 무한 결합이 보장된다. 다시 말해서, 제3 방향(도 9a, 도 10a 및 도 10b)으로 빔렛 경로를 따르는 이 선형 변위는 필름 표면 상의 공통 초점 평면에 빔렛을 집속시키는데 도움이 된다. 렌즈(146, 148)는 또한 제3 방향과 제2 방향 둘 다에 수직한 방향으로 서로에 대해 변위 가능하다. 이 변위는 쐐기 공차에 대한 상대 중심화 보정을 조절한다. 마지막으로, 양 렌즈는 서로에 대해 회전하도록 구성되며 이는 축방향 비틀림 공차(빔 회전)를 보정한다. 중심화 및 회전을 동시에 조절하면 쐐기 공차 및 축방향 비틀림 공차가 보정된다.
지연 유리 쌍은 순차적으로 설치 및 정렬되며, 따라서 한 쌍의 인접한 빔렛 중 하나의 빔렛은 증가된 총 유리 두께(증가된 지연)를 확인하고 빔렛은 중심화 및 축방향 비틀림에 대해 순차적으로 보정된다. 다시 말해서, 각각의 어레이 내의 사이드 렌즈릿에 이웃하여 위치하는 렌즈릿에서 시작하여, 지연 유리 쌍의 개수는 도 3 내지 도 5에 도시하듯이 증가한다. 지연 유리 쌍은 횡축 빔렛 높이의 변화를 최소화하기 위해 교호적인 오목/볼록 순서로 설치될 수 있다. 지연 유리 쌍의 조합된 기능은 개별 빔렛이 분리된 채로 유지되는 제한된 거리의 최대 사용을 가능하게 한다.
통상의 기술자는 전술한 실시예가 단지 예로서 제시된 것이며 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에서 본 발명이 구체적으로 설명된 것과 달리 실시될 수도 있음을 알 것이다. 본 개시내용은 본 명세서에 기재된 각각의 개별 특징, 시스템, 재료 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 이러한 특징, 시스템, 재료 및/또는 방법이 상호 모순되지 않는 경우 둘 이상의 이러한 특징, 시스템, 재료 및/또는 방법의 임의의 조합이 본 발명의 범위 내에 포함된다.

Claims (19)

  1. 기판 상에 피착된 박막의 파이버 레이저 가공 방법이며, 박막 영역(Af)은 폭(Wf) 및 길이(Lf)에 의해 형성되고,
    (a) 버스트 체제에서 작동하는 적어도 하나의 준연속 파이버(QCW) 파이버 레이저로부터 레이저 빔을 제공하는 단계;
    (b) 레이저 빔을 빔-성형 유닛을 통해서 박막 상으로 인도하여, 레이저 빔을 박막의 표면 상의 제1 박막 영역(Ab)을 조사하는 균질한 라인 빔으로 성형하는 단계로서, 조사 박막 영역(Ab)은 개별 버스트에 대응하고 박막 영역(Af)의 일부이며, 필름 영역(Ab)은 길이(Lb) 및 폭(Wb)에 의해 형성되는, 단계;
    (c) 빔 성형 광학계 및 필름을 제1 방향으로 서로에 대해 거리(dy)를 두고 연속적으로 변위시키는 단계로서, dy 거리는 미리결정된 dy 임계치를 초과하는 순차 조사 사이의 열적 포지티브 피드백을 방지하도록 선택되며, 따라서 제1 박막 영역(Ab)과 함께 제1 세장형 칼럼을 형성하는 일련의 균일한 박막 영역(Ab)을 형성하는, 단계; 및
    (d) 이후, 빔 성형 광학계 및 그 위에 필름이 구비된 기판을 상기 제1 방향을 가로지르는 제2 방향으로 서로에 대해 거리(dx)를 두고 변위시키고 단계(b) 내지 단계(c)를 반복하여, 박막 영역(Af) 상에 복수의 중첩된 세장형 칼럼을 형성하는 단계로서, 거리(dx)는 조사 필름 영역(Ab)의 길이보다 작고, dx 및 dy 거리는 필름 영역(Af)의 각 위치가 3 내지 50 범위의 미리결정된 횟수의 버스트에 노출되도록 선택되는, 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 빔을 빔 성형 유닛을 통해서 인도하는 단계는,
    레이저 빔을 렌즈릿 어레이를 통해서 안내하여, 레이저 빔을 제1 방향(Y)에 대해 경사지고 제2 방향에 직교하는 제3 방향으로 전파되는 복수의 빔렛으로 분할하는 단계,
    빔렛을 각각의 지연 유리 쌍을 통해서 안내함으로써 빔렛을 일시적으로 지연시키는 단계로서, 지연 유리 쌍 각각은 실질적으로 동일한 초점 길이 및 제3 방향으로 연장되는 공통 종축을 갖는 이격된 포지티브 및 네거티브 실린더 렌즈로 구성되고, 유리 지연 쌍 각각은 그 사이에 축방향 갭을 형성하기 위해 서로 대향하는 각각의 만곡면을 구비하는, 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 일시적 지연은 3 내지 50㎛ 범위의 Wb와 동등한 빔 폭 및 1 내지 적어도 500의 종횡비를 갖는 균질한 라인 빔을 형성하기 위해 균질기의 간섭 효과 및 제조 공차를 완화시키며, 상기 일시적 지연은
    (a) 각 쌍의 이격된 렌즈를 제3 방향을 따라서 서로를 향해서 및 서로 멀어지게 축방향으로 변위시켜, 빔렛을 박막의 표면 상의 공통 초점 평면에 집속시키는 단계,
    (b) 각각의 지연 유리 쌍의 이격된 렌즈를 제3 방향으로 연장되는 공통 종축 주위로 서로에 대해 회전시키는 단계,
    (c) 이격된 렌즈를 공통 종축 및 제2 방향(X)에 수직하게 서로에 대해 변위시키는 단계, 또는
    (d) 상기 (a) 내지 (c)의 조합을 포함하는, 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 증가하는 개수의 지연 유리 쌍을 상기 어레이의 사이드 렌즈릿에 이웃하는 렌즈릿에서 시작하여 원통형 유닛의 하류에 배치하고 상기 유리 쌍 각각을 순차적으로 조작하여 라인 빔을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 QCW 파이버 레이저는 100% 듀티 사이클로 작동하는 QCW 파이버 레이저로부터의 레이저 빔에 의해 초래되는 것과 동일한 박막의 열적 응답을 발생시키기에 충분하고 버스트 반복율보다 높은 최대 1 GHz의 펄스 반복율로 레이저 빔을 출력하기 위해 100% 미만의 듀티 사이클로 작동하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 방향 또는 제2 방향 또는 제1 및 제2 방향으로 소망 공간 강도 프로파일을 갖기 위해 적어도 하나의 추가 레이저 빔을 생성하여 박막 상으로 인도하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 빔의 편광을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  8. 기판 상에 피착된 박막을 가공하기 위한 파이버 레이저 시스템이며,
    기판을 지지하는 스테이지;
    광 경로를 따라서 레이저 빔의 버스트를 출력하는 적어도 하나의 QCW 파이버 레이저 소스;
    광학 빔 성형 유닛으로서, 광학 빔 성형 유닛은 단일 버스트에 대응하고 가공될 총 박막 영역(Af)의 일부를 구성하는 제1 조사 박막 영역(Ab)을 형성하도록, 상기 레이저 빔을, 박막의 표면 상에 입사되고 소망 기하학적 치수, 강도 프로파일 및 최적의 파워를 갖는 균질한 라인 빔으로 성형하도록 구성되고, 필름 영역(Ab)은 길이(Lb) 및 폭(Wb)에 의해 형성되는, 광학 빔 성형 유닛; 및
    프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는
    미리결정된 길이와 폭의 제1 세장형 칼럼을 누적적으로 형성하는 일련의 조사 박막 영역(Ab)을 형성하도록 스테이지 및 광학 빔 성형 유닛을 제1 방향으로 서로에 대해 거리(dy)를 두고 변위시키는 단계로서, 거리(dy)는 순차 버스트 사이의 미리결정된 열적 임계치를 초과하는 열적 포지티브 피드백을 방지하도록 선택되는, 단계,
    스테이지 및 광학 빔 성형 유닛을 상기 제1 방향(Y)에 직교하는 제2 방향(X)으로 서로에 대해 거리(dx)를 두고 변위시키는 단계,
    일련의 조사 박막 영역(Ab)에 의해 형성되고 제1 칼럼과 중첩되는 제2 칼럼을 형성하도록 스테이지 및 광학 빔 성형 유닛을 제1 방향으로 변위시키는 단계, 및
    총 박막 영역(Af)이 가공될 때까지 박막 영역(Af) 상에 복수의 중첩된 칼럼을 형성하도록 스테이지 및 광학 빔 성형 유닛을 제1 및 제2 방향으로 각각의 거리(dy 및 dx)를 두고 반복적으로 및 순차적으로 변위시키는 단계로서, dx 및 dy 거리는 필름 영역(Af)의 각 위치가 3 내지 50 범위의 미리결정된 횟수의 버스트에 노출되도록 선택되는, 단계
    를 포함하는 일련의 단계를 실행하도록 구성되는, 파이버 레이저 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 광학 빔-성형 유닛은 레이저 빔의 간섭을 완화시키도록 작동하는 균질기를 구비하며, 상기 균질기는 레이저 빔을 제1 방향에 대해 경사지고 제2 방향에 직교하는 제3 방향으로 전파되는 복수의 빔렛으로 분할하는 하나 이상의 렌즈릿 어레이를 구비하는, 파이버 레이저 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 빔렛의 각각의 경로에 위치하고 균질기 제조 공차를 보상하도록 구성되는 지연 유리 쌍의 하나 이상의 어레이를 추가로 포함하고, 각각의 지연 유리 쌍은 제3 방향으로 연장되는 공통 세장형 축을 가지며, 그 사이에 축방향 갭을 형성하는 각각의 볼록면 및 오목면이 제공되는 두 개의 축방향으로 이격된 포지티브 및 네거티브 실린더 렌즈로 구성되는, 파이버 레이저 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 각 쌍의 포지티브 및 네거티브 실린더 렌즈는 복수의 빔렛을 박막의 표면 상의 공통 초점 평면에 집속시키기 위해 서로에 대해 축방향으로 변위 가능하며,
    종축 및 제2 방향에 수직하게 서로에 대해 선형적으로 변위 가능하고,
    세장형 축 주위로 서로에 대해 회전 가능한, 파이버 레이저 시스템.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서, 다수의 지연 유리 쌍은 어레이의 끝에서 두 번째 렌즈릿에서 시작하여 점진적으로 증가되며, 끝에서 두 번째 렌즈릿은 단일 지연 유리 쌍과 연관되는, 파이버 레이저 시스템.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 균질기는 빔렛을 박막의 표면 상의 라인 빔으로 재조합하도록 구성된 실린더 렌즈 배열을 추가로 구비하고, 상기 라인 빔은 높은 종횡비로 성형되며, 3 내지 50㎛ 빔 폭은 조사 필름 영역(Ab)의 폭에 대응하는, 파이버 레이저 시스템.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 빔 성형 유닛의 상류의 제2 또는 제2 및 제3 고조파 발생기, 및 적어도 하나의 제2 QCW 파이버 레이저를 추가로 포함하며, 파이버 레이저 각각은 성형 레이저 빔이 박막 영역(Af)의 각각의 위치를 실질적으로 동시에 조사하게 하는 펄스 반복율(PRR)로 일련의 나노초 펄스를 출력하는 단일 모드 또는 다중 모드 QCW 파이버 레이저이고, 상기 PRR은 100 MHz 내지 1 GHz 사이에서 변화하는, 파이버 레이저 시스템.
  15. 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 파이버 레이저와 빔-성형 유닛 사이에 감쇠기, 편광 제어기 및 시준기를 추가로 포함하는, 파이버 레이저 시스템.
  16. 제8항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 스테이지 또는 빔 성형 광학계의 어느 하나 또는 둘 다는 제1 방향 및 제2 방향으로 변위 가능하며, dy 거리는 조사 박막 영역(Ab)의 폭보다 작거나 이 폭과 동일하도록 선택되는, 파이버 레이저 시스템.
  17. 제8항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 제2 QCW 버스트 파이버 레이저를 추가로 포함하고, 적어도 하나의 제2 QCW 버스트 파이버 레이저는 하나의 파이버 레이저의 출력과 조합 가능한, 또는 하나의 파이버 레이저의 출력을 처리하는 광학 빔 성형 유닛과 유사하게 구성되는 지정된 광학 빔 성형 유닛을 통해서 제1 파이버 레이저의 출력과 동기하여 박막으로 송달되는 출력을 갖고, 라인 빔은 제1 방향 및 제2 방향 둘 다에서 소망 강도 프로파일을 가지며 가우시안, 슈퍼 가우시안 또는 플랫 탑 프로파일에서 선택되는, 파이버 레이저 시스템.
  18. 제8항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 버스트 체제에서 작동하는 QCW 파이버 레이저는 일련의 긴 펄스를 버스트 반복율(BRR)로 출력하며, 상기 긴 펄스 각각은 BRR보다 높은 PRR로 일련의 짧은 펄스로 분할되는, 파이버 레이저 시스템.
  19. 제8항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 방향으로의 라인 빔 클레임의 강도 프로파일을 가우시안, 슈퍼 가우시안 또는 플랫-탑 강도 프로파일로 성형하도록 구성된 비원통형 대물 유닛을 추가로 포함하는, 파이버 레이저 시스템.
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