KR20200128567A - 작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

작업 평면(20)에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치는 적어도 하나의 레이저 광원(11), 제1 방향(X) 및/또는 제2 방향(Y)에서 적어도 하나의 레이저 광원(11)에서 발사되는 광을 성형하는 광학 디바이스(140), 제1 방향(X)에 대해 빔 품질 인자(Mx2)를 증가시키고 제2 방향(Y)에 대해 빔 품질 인자(My2)를 감소시키는 빔 변환 장치(13) 및 제2 방향(Y)에서 작용하는 대물 렌즈(17) 및 제2 방향(Y)에서 작용하는 포커싱 장치(18)를 포함하며, 포커싱 장치는 대물 렌즈(17) 후방에 배치되고, 대물 렌즈(17) 및 포커싱 장치(18)는 빔 변환 장치(13) 후방의 평면(19)을 작업 평면(20)에 이미징하며, 빔 변환 장치에서, 제2 방향(Y)에서의 광(12)의 강도 분포는 슈퍼 가우스 프로파일 또는 슈퍼 가우스 프로파일과 유사한 프로파일을 가진다.

Description

작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치
본 발명은 작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치에 관한 것이다.
레이저 방사선의 전파 방향은 레이저 방사선의 평균 전파 방향을 의미하며, 특히 레이저 방사선이 평면파가 아니거나 또는 적어도 부분적으로 발산되는 경우이다.
예를 들면, 일반적으로 가로 선폭(FWy)이 30μm 내지 70μm인 매우 좁은 레이저 광선은 레이저 박리 또는 디스플레이 패널의 Si소둔과 같은 표면 가공에 필요하다. 도 5는 가로 방향에서 폭(FWy)을 가지며 세로 방향에서 폭(FWx)을 가지는 레이저 광선을 개략적으로 예시하였다. 가로 방향에서, 좁은 레이저 광선은 일반적으로 가우스 강도 분포를 나타낸다. 가우스 프로파일의 경우, 프로파일 중간의 강도 증가로 인해, 처리되는 재료에 불필요한 열 부작용을 발생시킬 수 있다.
동시에, 처리 대상 패널의 비평탄성 및 스캔 중의 진동으로 인해, 대면적 응용도 상당한 초점 심도가 필요하다. 일반적으로 필요한 피사계 심도는 적어도 0.5mm이며, 클수록 유리하다. 피사계 심도는 선폭(FWy)의 제곱에 정비례하며, 또한 레이저 빔의 품질 인자(M2)에 반비례한다. 예를 들면 고체 레이저와 같은 고출력 멀티모드 레이저의 경우, 빔 품질 인자(M2)는 1보다 훨씬 크고, 일반적으로 15 내지 30이다. 이로 인해 가로 방향에서 작은 선폭(FWy)을 구현하고, 동시에 원하는 큰 피사계 심도를 구현하기 어렵거나 실질적으로 불가능하다.
이러한 2가지 요구를 동시에 만족하기 위해, 무손실 비대칭 모드 변환을 응용할 수 있다. 가우스 횡단면을 갖는 레이저 광선을 위한 이러한 장치는 US7782535에서 이미 알려져 있다. 여기서 설명된 방법을 이용하면, 초점 방향 또는 가로 방향Y의 빔 품질 인자(M2)가 몇 배(예를 들면 20배) 정도 감소하므로, 집속도 및 피사계 심도를 크게 증가시킨다.
US8270084에서 상기 유형의 장치가 이미 알려지고 있다. 본문에서 설명된 빔 변환 장치는 빔 변환 장치 후방에 팁 형상 또는 예모(Tophat)와 유사한 형상의 가변 라인 횡단면이 형성되는 것을 허용한다.
상기 종래 기술의 주요 구상은 빔 변환 장치 후방에, 도 10에 도시된 빔 변환 장치(2)에 대응할 수 있는 이동 가능한 원기둥 렌즈(1)를 사용한다. 광축(Z)에 따른 원기둥 렌즈(1)의 위치(점선 또는 쇄선 위치(1') 및 (1”) 참고)에 따라, 광축(Z)은 푸리에 변환 또는 빔 변환 장치의 뒤를 따른 Y방향에서의 라이트 필드 이미지가 발생한다. 원기둥 렌즈(1)의 후방에 원기둥 렌즈(3) 및 (4)(도 11 참고)로 이루어진 투영 시스템이 있으며, 입구 및 출구 부분에 메인 빔의 텔레센트릭 코스를 구비한다. 상기 투영 시스템은 원기둥 렌즈(1) 후방의 평면(5, 5', 5”)을 Y방향에서 크게 축소하는 방식으로 원하는 작업 평면(6, 6', 6”)에 투사(전송)한다. 원기둥 렌즈(1)의 위치에 따라, 작업 평면(6, 6', 6”)에 피크형 강도 분포(7b)가 발생할 수 있으며, 이는 Y방향에서 예모 형상으로 분포된 것(도 12b 참고) 또는 슈퍼-가우스 강도 분포(7d, 도 12d 참고)의 푸리에 변환에 대응된다.
슈퍼 가우스 계수(인자) G=2를 가지는 가우스 에너지 밀도 9와 비교하면, 슈퍼 가우스 라인 횡단면은, 예를 들어, 도 4에 도시한 라인 가로 방향에서의 슈퍼 가우스 계수 G=4를 가지는 에너지 밀도 8과 유사하여, 실질적인 장점을 제공하며, 이는 편평한 강도 분포가 열 부작용 없이 더욱 넓은 작용 필드를 제공하기 때문이다. 슈퍼 가우스 계수 G는 아래의 에너지 밀도 공식에 의해 얻는다.
Figure pct00001
여기서, G=2의 가우스 프로파일과 비교하면, 슈퍼 가우스 프로파일의 경우 G=3 및 G=4이고, y는 라인의 가로 방향에서의 좌표이고, FW는 Y방향에서의 폭(FWy)이며, 에너지 밀도는 1/e2로 감소되었다.
필요한 공정 에너지 밀도(P)는 가우스 강도 분포보다 더 넓은 라인으로 구현할 수 있으므로, 슈퍼 가우스 분포의 생산성을 향상시킨다.
추가적으로 슈퍼 가우스 라인 횡단면을 평가하기 위해, 다음과 같은 광학 예시의 구성을 고려해야 한다: US8270084에 따르면, 도 12a에 도시한 바와 같이, 상기 빔 변환 장치는 상기 빔 변환 장치의 뒤를 따른 슈퍼 가우스 강도 분포(7a)를 가져야 하며, 상기 슈퍼 가우스 강도 분포는 Y방향에서 1mm의 폭(FWy)을 갖는다.
도시된 위치(1”)(이는 빔 변환 장치 후방의 480mm 부분에 배치되는 것이 바람직함)에서, 초점 거리 f=160mm인 원기둥 렌즈(1)는 계수2로 축소된 슈퍼 가우스 강도 분포를 평면(영역)(5”) 중 원기둥 렌즈(1) 후방의 240mm부분에 이미징한다.
예를 들면 초점 거리가 4,332mm 및 195mm인 원기둥 렌즈(3) 및 (4)로 구성된 텔레센트릭 시스템은 영역(5”)를 최대한 축소된 크기로 목표 영역 또는 작업 평면(6)에 투사한다. Г=4332/195이므로, 감소 계수 Г는 22일 수 있다. 계수가 2인 축소 및 계수가 22인 축소로 인해, 슈퍼 가우스 선폭은 FWy=1mm/2/22=23μm으로 대략 추정된다.
아래 사실을 통해 상기 방법의 본질적인 단점을 알 수 있다: 마찬가지로 평면(5, 5', 5”)에서 원기둥 렌즈(1)의 렌즈 위치(1”)에서의 배치에 따라, 피크형 강도 분포가 존재한다. 즉, 상기 피크형 강도 분포는 원기둥 렌즈(1) 후방의 약 160mm 부분의 후면 초점면, 바로 대략 슈퍼 가우스 분포 전방에서 80mm 떨어져 있는 거리z에 배치된다. 상기 목표 공간 또는 작업 평면(6, 6', 6'')에서, 상기 거리는 Г2와 반비례하여 감소되므로, 목표 공간에서의 거리는 z'=z/Г2이다. 따라서, 거리z'=80mm/222=0.17mm이다. 따라서, 두 분포는 목표 공간에서 충분히 분리되지 않는다.
그밖에, 슈퍼 가우스 강도 분포는 가장 높은 강도 또는 가장 좁은 라인에 대응되지 않는다. 상기 예에서, 가장 좁은 선폭에 대응되는 지점의 선폭은 2*160*(NA(Numerical Aperture)=0.0003)/22=4.3μm 정도 밖에 안 된다. 따라서, 슈퍼 가우스 분포의 피사계 심도는 매우 작다.
상술한 예의 경우, 도 9a~9d의 광선 추적(ray tracing) 시뮬레이션 결과는 광축(Z)에 따른 슈퍼 가우스 프로파일의 변화를 나타냈다. 상기 광선 추적 시뮬레이션에서, z'=0지점에서 얻은 선폭의 값은 26μm이다. 결과, z'=0.2mm의 거리에서 선폭은 약 58μm이거나, 또는 z'=-0.2mm의 거리에서 선폭은 약 10μm였다. 따라서, 슈퍼 가우스 프로파일은 지점 z'=0의 거리가 증가함에 따라 매우 빠르게 감소한다.
이러한 종래 기술을 토대로, 본 발명의 목적은, 이미 언급된 유형의 장치를 더 발전시켜, 작업 평면에서의 강도 분포가 라인 가로 방향에서 큰 피사계 심도를 갖도록 하고 및/또는 작업 평면에서의 강도 분포가 가장 높은 강도를 갖도록 하는 것이며, 특히 상기 강도 분포는 슈퍼 가우스 분포에 대응된다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 청구항1의 특징을 가지는 이미 언급된 유형의 장치에 의해 구현된다. 종속항은 발명의 바람직한 형태에 관한 것이다.
청구항1에 따르면, 상기 장치는 제2 방향에서 작용하는 대물 렌즈 및 제2 방향에서 작용하고 대물 렌즈 후방에 배치되는 포커싱 장치를 포함하고, 대물 렌즈 및 포커싱 장치는 빔 변환 장치 후방의 평면을 작업 평면에 이미징하고, 빔 변환 장치에서, 제2 방향에서의 광의 강도 분포는 슈퍼 가우스 프로파일 또는 슈퍼 가우스 프로파일과 유사한 프로파일을 구비한다.
이러한 설계는 슈퍼 가우스 프로파일이 광의 광축 또는 전파 방향을 따라 최대한 천천히 변하도록 허용하므로, 가능한 최대의 피사계 심도를 얻을 수 있다. 슈퍼 가우스 프로파일은 최고 라인 강도의 위치에 대응될 수 있으며 또한 초점에서 일정한 거리만큼 떨어져 있는 부분에서 천천히 변할 뿐이다. 대물 렌즈 및 포커싱 장치로 형성된 투영 시스템은 초점이 맞춰진 빔 변환 장치의 근접장으로부터의 슈퍼 가우스 분포를 작업 평면에 이미징할 수 있다. 동시에, 빔 변환 장치의 가우스 유사 원격장 분포는 원하는 피사계 심도로부터 멀리 떨어져 있는 초점 부분에 이미징할 수 있다.
대물 렌즈는 초점 거리가 긴 대물렌즈일 수 있으며, 특히 대물 렌즈의 초점 거리는 2000mm ~ 30000mm, 바람직하게는 5000 ~ 20000이며, 예를 들면 7000mm ~ 13000이다.
대물 렌즈는 적어도 2개의 렌즈를 포함하고, 특히 이들 렌즈는 제2 방향에서 작용하는 원기둥 렌즈로 설계되도록 설정될 수 있다.
대물 렌즈는 3개의 렌즈를 포함하고, 특히 상기 제2 방향에서 작용하는 3개의 원기둥 렌즈를 포함하고, 그 중 적어도 하나의 원기둥 렌즈, 바람직하게는 적어도 2개의 원기둥 렌즈는 상기 제2 방향에서의 선폭이 변경되도록 기타 렌즈에 대해 이동할 수 있도록 설정될 수도 있다. 렌즈(바람직하게는 초점 거리가 긴 렌즈)는 선폭이 변경되도록 가변 초점 거리를 갖는 줌 렌즈로 설계될 수 있다.
포커싱 장치는 1개 이상의 렌즈, 특히 제2 방향에서 작용하는 원기둥 렌즈를 포함하도록 설정될 수 있다.
대물 렌즈의 후면 초점면은 포커싱 장치의 전면 초점면과 겹칠 수 있다. 또한, 대물 렌즈 및 포커싱 장치에 의해 작업 평면에서 이미징된 평면은 대물 렌즈의 전면 초점면과 대물 렌즈의 제1 렌즈 사이에 배치될 수 있다.
강도 분포의 프로파일, 특히 슈퍼 가우스 프로파일 또는 슈퍼 가우스 프로파일과 유사한 프로파일은 작업 평면에서의 피사계 심도가 0.1mm보다 크고, 바람직하게는 0.5mm보다 크며, 슈퍼 가우스 계수G는 이 영역에서 바람직하게는 3보다 크게 설정될 수 있다. 이러한 피사계 심도 및 슈퍼 가우스 계수의 결과는 대부분의 응용에서 높은 생산성을 제공한다.
강도 분포, 특히 슈퍼 가우스 강도 분포 또는 슈퍼 가우스 분포와 유사한 강도 분포는, 작업 평면에서 그 전방 또는 후방에 직접 배치된 평면에서보다 더 큰 강도를 가질 수 있다.
레이저 광원은 멀티모드 고체 레이저와 같은 멀티모드 레이저 광원일 수 있다. 이러한 레이저 광원의 레이저 빔은 고출력 및 15 ~ 30의 빔 품질 인자(M2)를 가짐으로써, 레이저 빔이 상기 장치에 의해 제공되는 빔 변환에 적합하도록 한다.
특히, 레이저 광원과 빔 변환 장치 사이에 광학 디바이스가 배치되도록 설정될 수 있으며, 상기 광학 디바이스는 아나모픽 광학 디바이스이다. 아나모픽 광학 디바이스는 예를 들면 제1 방향에서 긴 강도 분포를 생성하기 위해 사용될 수 있고, 상기 긴 강도 분포는 제1 방향에 대해 빔 변환 장치 전방 또는 직접 빔 변환 장치에서 부분 빔으로 분할된다.
상기 장치는 제1 방향에서 작용하는 균질화 장치를 포함할 수 있다. 특히, 균질화 장치는 빔 변환 장치 후방에 배치될 수 있으며, 바람직하게는 대물 렌즈 전방에 배치된다. 상기 균질화 장치는 2개의 원기둥 렌즈 어레이 및 제1 방향에서 작용하는 푸리에 렌즈를 포함할 수 있다. 균질화 장치는 작업 평면에서 제1 방향에 따른 매우 균일한 강도 분포를 보장할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 바람직한 실시형태에 대한 설명을 통해 본 발명의 기타 특징 및 장점을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 제1 실시형태의 일부를 개략적으로 나타낸 측면도이며, 대물 렌즈 및 포커싱 장치를 나타냈다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 제1 실시형태를 개략적으로 나타낸 측면도이며, 선택 가능한 균질화 장치를 나타냈다.
도 3a는 본 발명에 따른 장치의 제2 실시형태의 일부를 개략적으로 나타낸 측면도이며, 대물 렌즈 및 포커싱 장치를 나타냈고, 대물 렌즈의 렌즈는 제1 위치에 있다.
도 3b는 도 3a에 도시한 장치의 개략적인 측면도로서, 대물 렌즈의 렌즈는 제2 위치에 있다.
도 3c는 도 3a에 도시한 장치의 개략적인 측면도로서, 대물렌즈의 렌즈는 제3 위치에 있다.
도 4는 인자G의 값이 다를 때의 슈퍼 가우스 및 가우스 프로파일의 에너지 밀도 프로파일을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 5는 세로 방향의 선폭 및 가로 방향의 선폭의 선형 강도 분포를 개략적으로 명확히 나타냈다.
도 6은 빔 변환 장치의 3개의 렌즈 후방의 근접장에서의 강도 분포를 개략적으로 나타냈다.
도 7a-h는 광선 추적 시뮬레이션 결과이며, 이는 도 1에 따른 장치의 예시적 구성에 대해 광축에 따른 슈퍼 가우스 프로파일의 변화를 나타냈다.
도 8은 광축에 따른 슈퍼 가우스 계수G의 변화를 나타낸 도면이다.
도 9a-d는 광선 추적 시물레이션 결과이며, 이는 US8270084의 장치에 따른 예시적 구성에 대해 광축에 따른 슈퍼 가우스 프로파일의 변화를 나타냈다.
도 10a는 빔 변환 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 11a는 US8270084에 따른 장치의 일부를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 12는 도 11에 따른 장치의 원기둥 렌즈의 서로 다른 위치에서 라인 가로 방향의 강도 분포를 나타낸다.
도면에서, 동일한 부재 및 기능적으로 동일한 부재는 동일한 도면 부호가 사용되었다. 또한, 명확성을 위해, 일부 도면에는 데카르트 좌표계가 그려져 있다.
일 실시형태는 작업 평면에서 선형 강도 분포를 갖는 레이저 빔을 생성하기 위한 장치를 공개하였다. 도 5는 이러한 선형 강도 분포를 비율과 상관없이 개략적으로 도시하였고, 상기 선형 강도 분포는 라인의 세로 방향에 대응되는 제1 방향(X)에서 폭(FWX)을 가지고, 제1 방향(X)에 수직이고 라인의 가로 방향에 대응되는 제2 방향(Y)에서 폭(FWy)을 가진다. 작업 평면에서, 레이저 방사선은 가로 방향 또는 제2 방향(Y)에서 각각 슈퍼 가우스 강도 분포를 갖는다.
도시된 실시형태는 광(12)를 발사하는 멀티모드 고체 레이저와 같은 하나 이상의 레이저 광원(11)을 포함한다(도 2 참고). 구체적으로, 광원(11)이 가질 수 있는 빔 품질 인자 M2는 1보다 훨씬 크다.
도시한 실시형태는, 좁은 축 또는 Y방향에서의 빔 품질을 개선하고, 긴 축 또는 X방향에서의 모드 강화를 위한 빔 변환 장치(13)를 더 포함할 수 있다.
레이저 광원(11)과 빔 변환 장치(13) 사이에 아나모픽 광학 디바이스(14)가 설치된다. 상기 아나모픽 광학 디바이스(14)는 하류 빔 변환 장치(13)의 제1 방향(X)과 제2 방향(Y)에 필요한 빔 횡단면 및 발산을 형성한다.
예를 들면, 제1 방향(X)에서 긴 강도 분포를 생성하고, 상기 긴 강도 분포는 제1 방향(X)에 대해 빔 변환 장치(13) 전방 또는 직접 빔 변환 장치(13)에서 동일한 폭을 갖는 N개의 부분 빔으로 분할된다. 상기 강도 분포는 동일한 폭을 가진 N개의 부분 빔으로 분할된다. 빔 변환 장치(13)는 이러한 부분 빔을 공간적으로 재배열하여, 제2 방향(Y)의 M'y 2가 현저히 작아지게 하고, 제1 방향(X)의 M'x 2가 초기 레이저 빔의 M2보다 현저히 커지게 하며, 여기서 M'y 2= M2/N이며, M'x 2= M2*N이다.
예를 들면, US8270084에서 설명되거나 또는 도 10에 예시된 바와 같이, 빔 변환 장치(13)를 굴절 원기둥 렌즈 어레이 망원경으로 설계할 수 있으며, 그 중 각 원기둥 렌즈의 각 원기둥 축선은 Z방향을 중심으로 45도 회전하거나 또는 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)과 45°의 협각을 이룬다.
예를 들면 US582551과 같이, 동일한 기능을 실행하는 기타 굴절 또는 반사 빔 변환 장치를 설치할 수도 있다.
빔 변환 장치(13)는 근접장의 출력 측에서 제2 방향(Y)에서 슈퍼 가우스 프로파일과 유사한 일련의 동일한 크기를 갖는 부분 빔(15)을 생성한다(도 6 참고). 상기 원격장은 예를 들면 빔 변환 장치(13) 후방의 몇 미터 거리에 배치되며, 가우스 분포를 가질 수 있다.
빔 변환 장치(13) 후방에는 제1 방향(X)에서 작용하는 선택 가능한 균질화 장치(16)가 설치되어 있고, 상기 균질화 장치(16)는 예를 들면 이미징 균질화기로 설계될 수 있으며 제1 방향(X)에서 작용하는 푸리에 렌즈 및 2개의 원기둥 렌즈 어레이를 가질 수 있다. 예를 들면, 균질화 장치(16)는 이미징 균질화기로 설계될 수 있으며 제1 방향(X)에서 작용하는 푸리에 렌즈 및 2개의 원기둥 렌즈 어레이를 가질 수 있다. 균질화 장치(16)의 임무는 부분 빔(15)을 혼합하여 작업 평면에서 제1 방향(X)을 따라 매우 균일한 강도 분포를 이루고, 부분 빔(15)의 제2 방향(Y)에서의 비대칭(예를 들면, 도 6의 좌측 및 우측의 부분 빔(15)을 비교)을 보상으로써, 전체 라인을 따라 동일한 슈퍼 가우스 횡단면을 얻도록 보장하는 것이다.
도시한 장치는 각각 제2 방향(Y) 또는 라인의 가로 방향에 사용되는 초점이 긴 대물 렌즈(17) 및 포커싱 장치(18)를 더 포함한다. 대물 렌즈(17)와 포커싱 장치(18)는 빔 변환 장치(13) 후방 및 균질화 장치(16) 후방에 각각 배치된다.
대물 렌즈(17)와 포커싱 장치(18)는 제2 방향(Y)에 사용되는 투영 시스템을 함께 형성하고, 상기 투영 시스템은 빔 변환 장치(13, 도 1의 평면(19) 참고)의 근접장으로부터의 슈퍼 가우스 강도 분포를 작업 평면(20)에 이미징하고, 이를 통해 빔 변환 장치(13) 후방의 가우스 유사 원격장은 원하는 피사계 심도 외의 초점에서 떨어진 위치에 분포된다.
예를 들면, 대물 렌즈(17)는 Z방향에서 거리(d)를 두고 전후로 배치된 2개의 원기둥 렌즈(21, 22)를 가질 수 있다. 예를 들면, 포커싱 장치(18)는 제2 방향(Y)에서 작용하는 복수의 원기둥 렌즈 또는 한 개의 원기둥 렌즈(26)를 가질 수 있다(도 1 및 도 3 참고). 대물 렌즈의 후면 초점면(F'17)은 포커싱 장치(18)의 전면 초점면(F18)에 대응되고, 평면(19)은 대물 렌즈(17)의 전면 초점면(F17)과 대물 렌즈(17)의 제1 원기둥 렌즈(21) 사이에 위치하며, 빔 변환 장치(13)의 근접장으로부터의 슈퍼 가우스 강도 분포는 상기 평면(19)에 배치된다.
도 1은 빔(23)을 통해 투영 시스템이 가우스 유사 분포를 빔 변환 장치(13)의 원격장으로부터 무한대로 먼 곳으로 투사함을 도시하였다. 도 1은 또한 빔(24)을 통해 투영 시스템이 슈퍼 가우스 분포를 가진 빔 변환 장치(13)의 근접장을 평면(19)으로부터 포커싱 장치(18)의 후면 초점면(F'18)의 영역으로 이미징하는 것을 예시하였다.
대물 렌즈의 후면 초점면(F'17)과 포커싱 장치(18)의 전면 초점면(F18)이 공간적으로 동일한 위치를 갖는 이러한 투영 시스템의 배율(V)은 평면(19)의 임의의 위치의 경우 원기둥 렌즈(21)에 대해 일정하게 유지된다.
V=-f'17/f'18=FWy/FW'y (1)
여기서, f'17는 대물 렌즈(17)의 유효 초점 거리이고, f'18은 포커싱 장치(18)의 초점 거리이며, FWy는 평면(19)에서의 선형 강도 분포의 폭이고, FW'y는 작업 평면(20)에서의 선형 강도 분포의 폭이다.
(1)로부터, 평면(19)에서의 슈퍼 가우스 분포의 주어진 폭 FWy으로, 대물 렌즈(17)에 필요한 유효 초점 거리(f'17)에 대해, 포커싱 장치(18)의 초점 거리(f'18) 및 작업 평면(20)에서의 필요한 선폭(FW'y)을 얻는다.
f'17=(FWy/FW'y)f'18 (2)
평면(19)과 대물 렌즈(17)의 전면 초점면(F17)이 겹칠 경우, 원기둥 렌즈(21, 22)는 광을 교정하며, 이를 통해 포커싱 장치(18)는 슈퍼 가우스 분포를 포커싱 장치(18)의 후면 초점면(F'18)에 이미징한다.
평면(19)이 대물 렌즈(17)의 전면 초점면(F17)으로부터 거리zSG에 위치할 경우, 포커싱 장치(18)의 후면 초점면으로부터 거리Δzsg=zsg(F'17/F'18)2에서 이미징이 발생한다. 평면(19)이 대물 렌즈(17)의 전면 초점면(F17)과 제1 원기둥 렌즈(21) 사이에 위치할 경우, 존재하는 양의 zSG는 투영 시스템의 작동 거리를 증가시킨다.
가우스 유사 강도 분포를 갖는 빔 변환 장치(13)의 원격장은 원기둥 렌즈(21, 22)에 의해 대물 렌즈(17)의 후면 초점면(F'17)으로 이전된다. 상기 후면 초점면(F'17)과 포커싱 장치(18)의 전면 초점면(F18)이 겹치므로, 포커싱 장치(18) 후방의 가우스 유사 분포는 무한대로 먼 곳으로 이미징된다.
따라서, 포커싱 장치(18)의 후면 초점면(F'18) 부근에는, 한 가지 강도 분포, 즉 슈퍼 가우스 분포만 존재한다. 강도는 이 점에서 최대 값을 가지므로, 슈퍼 가우스 계수G는 평면(19)의 입력 부분에서의 강도 분포의 값에 대응된다.
이하 고려하는 예에서, 투영 시스템에는 가로 방향에서의 폭(FWy)이 FWy=26μm인 슈퍼 가우스 분포가 형성되어 있으며, 대물 렌즈(17)의 유효 초점 거리(f'17)는 f'17=8,664mm이고, 포커싱 장치(18)의 초점 거리(f'18)는 f'18=195mm이다. 따라서, 원기둥 렌즈(21)의 초점 거리(f'21)는 f'21=500mm이어야 하고, 원기둥 렌즈(21, 22) 사이의 거리(d)는 d=300mm이다. 그 결과, 제2 원기둥 렌즈(22)의 초점 거리(f'22)는 f'22=-212mm이고, 제1 원기둥 렌즈(21)와 대물 렌즈(17)의 전면 초점면(F-17) 사이의 거리 S는 S=-20910mm이며, 제2 원기둥 렌즈(22)와 대물 렌즈의 후면 초점면(F'17) 사이의 거리 S'는 S'=3466mm이다.
빔 변환 장치(13)의 근접장으로부터의 슈퍼 가우스 강도 분포가 배치된 평면(19)은 제한된 길이를 갖는 실제 광학 시스템에서 일반적으로 원기둥 렌즈(21)로부터 약 1000mm를 초과할 수 없으므로, 출구에서의 슈퍼 가우스 분포는 포커싱 장치(18)의 후면 초점면(F'18)에 배치되지 않고, 그 후방에서 거리가(20910-1000)/(8664/195)2=10mm 인 부분에 배치된다.
작업 평면(20) 부근에서 Z축을 따라 안정적인 슈퍼 가우스 분포가 요구될 경우, 예를 들면 슈퍼 가우스 분포가 ±DOFSG의 범위 내일 경우(여기서 DOFSG는 슈퍼 가우스 분포의 피사계 심도에 대응됨), 가우스 분포는 반드시 입력측에 배치되어야 하며, 평면(19)과의 거리는 DOFSG(f'17/f'18)2 -보다 현저하게 크다. 예를 들면, DOFSG=0.5mm인 경우, 상기 거리는 0.5*(8664/195)2=987mm이다. 실제로, 최적의 설계에서, 가우스 분포는 빔 변환 장치(13)로부터 몇 미터(예를 들면 3M 초과) 떨어져 있다. 따라서, 피사계 심도의 공식화 조건을 만족한다.
도 7a 내지 도 7h는 상술한 FWy=26μm를 가지는 예시 시스템에 대한, 작업 평면(20)으로부터 상이한 거리z' 떨어져 있는 슈퍼 가우스 프로파일의 가로 방향 또는 Y방향에서의 변화를 도시하였다. 도 7e는 거리z'=0인 경우 작업 평면(20)의 프로파일을 도시하였고, 도 7a는 거리z'=-0.5mm인 경우의 프로파일을 도시하였으며, 도 7h는 거리z'=0.4mm인 경우의 프로파일을 도시하였다. 결과, ±0.5mm 범위 내에서 프로파일은 거의 변하지 않는다.
도 8은 슈퍼 가우스 계수G의 작업 평면(20)으로부터의 거리z에 따른 변화를 도시하였으며, 상기 ±0.5mm 범위의 경우, 슈퍼 가우스 계수G가 기본적으로 4보다 큰 것을 도시하였다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 실시형태에서, 초점 거리가 긴 대물 렌즈(17)는 Y방향에 대해 가변 유효 초점 거리 f'min＜f'17＜f'max를 갖는 줌 렌즈로 설계된다. 예를 들면, 대물 렌즈(17)는 3개의 원기둥 렌즈(21, 22, 25)를 가지며, 이들의 거리는 선폭이 변경되도록 적어도 부분적으로 변할 수 있다. 대물 렌즈(17)는 광축 또는 Z방향을 따라 제2 원기둥 렌즈(22) 및 제3 원기둥 렌즈(25)를 각각 이동시켜 배율을 변경할 때, 대물 렌즈의 후면 초점면(F'-17)이 포커싱 장치(18)의 전면 초점 평면과 대응하는 거의 일정한 위치에 유지되도록 구성될 수 있다.
따라서, 상기 시스템은 평면(19)의 입력측 위치에 대해 민감하지 않은 상태를 유지하고, 빔 변환 장치(13)의 근접장으로부터의 슈퍼 가우스 강도 분포는 상기 평면(19)에 배치되며, 선폭이 변경될 때, 라인 초점은 동일한 Z위치에 유지된다.
또한 제1 원기둥 렌즈(21) 및 제2 원기둥 렌즈(22)를 이동시키거나 또는 제1 원기둥 렌즈(21) 및 제3 원기둥 렌즈(25)를 이동시켜 대물 렌즈(17)의 초점 거리를 변경할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 서로 다른 배율의 줌 렌즈로 설계된 대물 렌즈(17)의 3가지 구조를 도시하였고, 이로 인해 작업 평면(20)에서의 슈퍼 가우스 라인의 폭이 다르다. 도시된 형식에서 제2 원기둥 렌즈(22)와 제3 원기둥 렌즈(25)는 이동 가능하다. 대물 렌즈(17)의 3가지 서로 다른 초점 거리(f'17)를 통해 3가지 배율 V=FW'y/FWy=f'18/f'17을 실현한다.
예를 들면, 대물 렌즈(17)의 원기둥 렌즈(21, 22, 25)는 초점 거리 f'21=-450mm, f'22=216mm 및f'25=-123mm을 가질 수 있으며, 포커싱 장치(18)는 초점 거리f'18=195mm를 가질 수 있다.
도 3 a에 따른 제1 구조의 경우, 더욱 긴 초점 거리f'17=12878mm 및 거리 S'=4239mm를 초래한다.
도 3 b에 따른 제2 구조의 경우, 중간 초점 거리f'17=10009mm 및 거리 S'=284mm가 존재한다.
도 3c에 따른 제3 구조의 경우, 더 짧은 초점 거리f'17=7912mm 및 거리S'=4190mm를 얻는다.
슈퍼 가우스 분포의 입력측 폭이 FWy=2.2mm인 경우, 줌 렌즈를 이용하고, 슈퍼 가우스 선폭(FWy)은 34μm와 55μm 사이에서 변할 수 있다.
상기 예에서, 극단적인 줌 구조에서, 대물 렌즈(17)의 후면 초점면(F'17)은 포커싱 장치(18)의 전면 초점면(F18)에 대해 최대 ±47mm까지 이동한다. 이러한 이동 또한 포커싱 장치(18) 후방의 가우스 분포의 위치에 영향을 준다. 예를 들어 도 3b에 따른 중간 줌 구조의 경우, 가우스 유사 원격장의 이미징이 무한대로 먼 곳에 위치하면, 극단적인 줌 구조의 가우스 분포는 작업 평면(20)의 가우스 분포에 대해 ±(f'18)2/z=±809mm의 Z위치에 위치할 수 있다. 해당 거리가 원하는 DOFSG에 비해 크므로, 슈퍼 가우스 분포의 피사계 심도는 영향을 받지 않는다.

Claims (15)

  1. 작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치에 있어서,
    상기 장치의 작업 기간에 광을 발사하는 적어도 하나의 레이저 광원(11);
    제1 방향(X) 및/또는 제2 방향(Y)에서 빔 횡단면 및 발산에 대해 상기 적어도 하나의 레이저 광원(11)에서 발사되는 광(12)을 성형하며, 상기 2개의 방향(X, Y)은 서로 수직되고 상기 광(12)의 전파 방향(Z)에 수직되며, 상기 작업 평면(20)의 상기 제1 방향(X)은 라인의 세로 방향에 대응되고, 상기 제2 방향(Y)은 라인의 가로 방향에 대응되는 광학 디바이스(14); 및
    상기 광학 디바이스(14)에 의해 성형된 상기 광(12)이 조사되는 빔 변환 장치(13)를 포함하며,
    상기 장치의 작업 기간에, 상기 빔 변환 장치(13)는 상기 제1 방향(X)에서 상기 빔 품질 인자(Mx2)를 증가시키고, 상기 제2 방향(Y)에서 상기 빔 품질 인자(My2)를 감소시키며,
    상기 장치는 상기 제2 방향(Y)에서 작용하는 대물렌즈(17) 및 상기 제2 방향(Y)에서 작용하는 포커싱 장치(18)를 포함하고, 상기 포커싱 장치는 상기 대물 렌즈(17) 후방에 배치되고, 상기 대물렌즈(17)와 상기 포커싱 장치(18)는 상기 빔 변환 장치(13) 후방의 평면(19)을 상기 작업 평면(20)에 이미징하며, 상기 빔 변환 장치에서, 상기 제2 방향(Y)에서의 상기 광(12)의 강도 분포는 슈퍼 가우스 프로파일 또는 슈퍼 가우스 프로파일과 유사한 프로파일을 구비하는,
    작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대물 렌즈(17)는 초점 거리가 긴 대물 렌즈(17)이며,
    특히 상기 대물 렌즈(17)의 초점 거리(f'17)는 2000mm 내지 30000mm이고, 바람직하게는 5000 ~ 20000이며, 예를 들면 7000mm 내지 13000인,
    작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 대물 렌즈(17)는 적어도 2개의 렌즈를 포함하고, 특히 상기 적어도 2개의 렌즈는 상기 제2 방향(Y)에서 작용하는 원기둥 렌즈(21, 22, 25)로 설계되는,
    작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대물 렌즈(17)는 3개의 렌즈, 특히 상기 제2 방향(Y)에서 작용하는 3개의 원기둥 렌즈(21, 22, 25)를 포함하고, 그 중 적어도 하나의 원기둥 렌즈, 바람직하게는 적어도 2개의 원기둥 렌즈는 상기 제2 방향(Y)에서의 선폭(FW'y)이 변경되도록 기타 렌즈에 대해 이동 가능한,
    작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 포커싱 장치(18)는 상기 제2 방향(Y)에서 작용하는 하나 이상의 렌즈, 특히 원기둥 렌즈(26)를 포함하는,
    작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대물 렌즈(17)의 후면 초점면(F'17)은 상기 포커싱 장치(18)의 전면 초점면(F18)과 겹치는,
    작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대물 렌즈(17) 및 상기 포커싱 장치(18)에 의해 상기 작업 평면(20)에서 이미징되는 상기 평면(19)은 상기 대물 렌즈(17)의 상기 전면 초점면(F17)과 상기 대물 렌즈(17)의 제1 렌즈 사이에 배치되는,
    작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작업 평면(20)에서, 상기 강도 분포의 프로파일, 특히 상기 슈퍼 가우스 프로파일 또는 슈퍼 가우스 프로파일과 유사한 프로파일의 피사계 심도는 0.1mm보다 크고, 바람직하게는 0.5mm보다 크며, 상기 영역에서 슈퍼 가우스 계수G는 바람직하게는 3보다 큰,
    작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강도 분포, 특히 상기 슈퍼 가우스 강도 분포 또는 상기 슈퍼 가우스 분포와 유사한 강도 분포는, 상기 작업 평면(20)에서의 강도가 그 전방 또는 후방에 인접하게 배치된 평면에서의 강도보다 큰,
    작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 광원(11)은 멀티모드 고체 레이저와 같은 멀티모드 레이저 광원인, 작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치.
  11. 제1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 디바이스(14)는 아나모픽 광학 디바이스(14)인, 작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 디바이스(14)는 상기 레이저 광원(11)과 상기 빔 변환 장치(13) 사이에 설치되는, 작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 제1 방향(X)에서 작용하는 균질화 장치(16)를 포함하는, 작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 균질화 장치(16)는 상기 빔 변환 장치(13)의 후방에 배치되고, 바람직하게는 상기 대물 렌즈(17)의 전방에 배치되는, 작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 균질화 장치(16)는 상기 제1 방향(X)에서 작용하는 푸리에 렌즈 및 2개의 원기둥 렌즈 어레이를 포함하는, 작업 평면에서 선형 강도 분포를 생성하기 위한 장치.
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