KR20210016207A - 프리즘을 이용한 레이저 빔 균질화기 및 이를 포함하는 레이저 열처리 장치 - Google Patents

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Abstract

개시된 레이저 빔 균질화기는, 입력된 레이저 빔의 진행 방향을 변경하는 프리즘을 포함한다. 상기 프리즘은, 상기 입력된 레이저 빔을, 상기 레이저 빔의 진행 방향과 수직한 방향으로 진행하는 반사 성분과 상기 프리즘 내부로 들어오는 굴절 성분으로 분리하는 분리면; 및 상기 굴절 성분을 내부에서 반사하는 적어도 둘 이상의 내부 반사면을 포함한다. 상기 레이저 빔 균질화기는, 상기 반사 성분으로 정의되는 제1 성분과, 상기 내부 반사면에서 반사된 후 상기 분리면을 통해 방출되어 상기 제1 성분의 경로를 따르며 상기 제1 성분의 강도 패턴과 비교하여 제1 축에 대하여 반전된 강도 패턴을 갖는 제2 성분을 포함하는 레이저 빔을 출력한다.

Description

프리즘을 이용한 레이저 빔 균질화기 및 이를 포함하는 레이저 열처리 장치{LASER BEAM HOMOGENIZER USING PRISM AND LASER ANNEALING DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 레이저 빔 균질화기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 프리즘을 이용한 레이저 빔 균질화기 및 이를 포함하는 레이저 열처리 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 액정 표시 장치, 유기 발광 표시 장치 등과 같은 표시 장치의 화소 어레이는 박막 트랜지스터에 의해 구동된다. 예를 들어, 상기 박막 트랜지스터의 채널은 다결정 실리콘을 포함할 수 있다.
다결정 실리콘은, 비정질 실리콘을 레이저 등을 이용한 열처리를 함으로써 얻어질 수 있는데, 고품질의 다결정 실리콘 박막을 얻기 위해서는 조사되는 레이저의 균일도가 중요하다.
레이저의 균일도를 향상시키고, 라인 이미지를 형성하기 위하여, 레이저 빔 균질화기가 사용되고 있으며, 스페클(speckle) 등과 같은 간섭 효과로 인한 고주파 노이즈를 필터링하기 위한 기술이 개발되고 있다.
본 발명의 일 목적은 레이저 빔의 균일도를 개선하고 고차 특수 주파수 노이즈를 필터링할 수 있는 레이저 빔 균질화기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 레이저 빔 균질화기를 포함하는 레이저 열처리 장치를 제공하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 레이저 빔 균질화기는, 입력된 레이저 빔의 진행 방향을 변경하는 프리즘을 포함한다. 상기 프리즘은, 상기 입력된 레이저 빔을, 상기 레이저 빔의 진행 방향과 수직한 방향으로 진행하는 반사 성분과 상기 프리즘 내부로 들어오는 굴절 성분으로 분리하는 분리면; 및 상기 굴절 성분을 내부에서 반사하는 적어도 둘 이상의 내부 반사면을 포함한다. 상기 레이저 빔 균질화기는, 상기 반사 성분으로 정의되는 제1 성분과, 상기 내부 반사면에서 반사된 후 상기 분리면을 통해 방출되어 상기 제1 성분의 경로를 따르며 상기 제1 성분의 강도 패턴과 비교하여 제1 축에 대하여 반전된 강도 패턴을 갖는 제2 성분을 포함하는 레이저 빔을 출력한다.
일 실시예에 따르면, 상기 굴절 성분은 p 편광 성분을 포함하고, 상기 반사 성분은 s 편광 성분을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 굴절 성분은 s 편광 성분을 포함하고, 상기 반사 성분은 p 편광 성분을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 출력된 레이저 빔은, 상기 입력된 레이저 빔과 동일한 크기, 발산 및 레이저 빔 퀄리티 팩터를 갖는다.
일 실시예에 따르면, 상기 프리즘에서, 상기 분리면과 제1 내부 반사면의 사이각(
Figure pat00001
), 상기 제1 내부 반사면과 제2 내부 반사면의 사이각(
Figure pat00002
) 및 상기 제2 내부 반사면과 상기 분리면의 사이각(
Figure pat00003
)은 다음의 식 1 내지 식 4에 따른다.
[식 1]
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
[식 2]
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
[식 3]
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
[식 4]
Figure pat00013
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
식 2에서, n은 프리즘의 굴절률이다. 식 4에서,
Figure pat00017
는 상기 분리면과 상기 제1 내부 반사면 사이에서 주광선이 이동하는 거리이고,
Figure pat00018
는 상기 분리면과 상기 제2 내부 반사면 사이에서 주광선이 이동하는 거리이다.
일 실시예에 따르면, 상기 분리면에 대한 상기 레이저 빔의 입사각은 45도이다.
일 실시예에 따르면, 상기 프리즘은, 상기 분리면에 결합되며 금속 산화물의 다층 구조를 갖는 코팅층을 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 코팅층은 33% 내지 34%의 반사율을 갖는다.
일 실시예에 따르면, 상기 프리즘은, 상기 제1 성분과 상기 제2 성분을 포함하는 제1 출력 레이저 빔을 출력하는 제1 프리즘; 및 상기 제1 프리즘의 연장축과 수직하는 연장축을 가지며, 상기 제1 출력 레이저 빔을 제2 출력 레이저 빔으로 변환하는 제2 프리즘을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 프리즘은, 상기 제1 출력 레이저 빔의 성분들을 반사 및 굴절하여, 상기 제1 성분의 강도 패턴과 비교하여 상기 제1 축과 수직한 제2 축에 대하여 반전된 강도 패턴을 갖는 제3 성분 및 상기 제2 성분의 강도 패턴과 비교하여 상기 제2 축에 대하여 반전된 강도 패턴을 갖는 제4 성분을 생성한다.
일 실시예에 따르면, 상기 레이저 빔은 엑시머 레이저 빔, YAG 레이저 빔, 유리 레이저 빔, YVO4레이저 빔 및 Ar 레이저 빔으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 입력빔의 크기, 발산, M2 등과 같은 성질들을 실질적으로 동일하게 유지하면서, 고출력 레이저의 고차 특수 주파수(high order special frequencies)를 필터링 할 수 있다.
따라서, 레이저 빔 균질화기 또는 이를 포함하는 광학계의 구성을 복잡하게 하지 않으면서, 효율적으로 레이저 빔을 균질화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 균질화기의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 균질화기의 사시도이다.
도 3은 도 2의 레이저 빔 균질화기를 이용하여 형성된 성분들의 강도 패턴을 도시한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 열처리 장치를 개략적으로 도시하는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 열처리 장치의 광학계를 개략적으로 도시하는 모식도이다.
도 6a는 입력빔의 강도 분포 패턴을 보여주는 이미지이다.
도 6b는 실시예 1의 제1 프리즘을 통과한 출력빔의 강도 분포 패턴을 보여주는 이미지이다.
도 6c는 실시예 1의 제1 프리즘과 제2 프리즘을 통과한 출력빔의 강도 분포 패턴을 보여주는 이미지이다.
도 7a는 도 6a의 입력빔의 단면 강도 분포 그래프이다.
도 7b는 도 6c의 출력빔의 단면 강도 분포 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 레이저 빔 균질화기 및 이를 포함하는 레이저 열처리 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 균질화기의 측면도이다.
도 1을 참조하면, 레이저 빔 균질화기는, 입력빔(IB)을 두 개의 성분으로 분리하는 분리면(splitting facet, 110)을 갖는 프리즘(100)을 포함한다. 상기 레이저 빔 균질화기는 입력빔(IB)의 고차 주파수 노이즈를 필터링할 수 있다. 예를 들어, 상기 입력빔(IB)은 노이즈 패턴(NP)을 포함하는 강도 패턴을 가질 수 있으며, 화살표는 상기 노이즈 패턴(NP)의 방향을 나타낼 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 입력빔(IB)은 상기 분리면(110)에서 반사 및 굴절되어 복수의 성분으로 분리된다. 일 실시예에 따르면, 상기 입력빔(IB)은 상기 분리면(110)에서 반사 성분과 굴절 성분으로 분리될 수 있다. 상기 프리즘(100)은, 상기 굴절 성분을 내부에서 반사하는 적어도 둘 이상의 내부 반사면(internal reflecting facet)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 입력빔(IB)은 상기 분리면(110)에서 편광 분리될 수 있다. 일 실시예에서, 반사 성분은 P 편광이고, 상기 굴절 성분은 S 편광일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 반사 성분은 S 편광이고, 상기 굴절 성분은 P 편광일 수 있다.
상기 반사 성분은, 상기 분리면(110)에서 반사되어 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)과 수직한 방향(D2)으로 진행하는 제1 성분(R1)으로 정의될 수 있다. 상기 제1 성분(R1)은 반사에 의해 반전된다. 따라서, 상기 제1 성분(R1)의 강도 패턴은 상기 입력빔(IB)의 강도 패턴과 일 축에 대하여 반전된 형상을 가질 수 있다.
상기 굴절 성분은, 상기 분리면(110)에서 굴절되어 상기 프리즘(100) 내부로 입사한다. 상기 굴절 성분은 제1 내부 반사면(120) 및 제2 내부 반사면(130)에서 각각 반사된 후, 상기 분리면(110)에 입사한다.
상기 분리면(110)에 입사된 광은, 반사 및 굴절되어 복수의 성분으로 분리된다. 상기 프리즘(100) 내부로부터 상기 분리면(110)에 입사된 광의 일 성분은 굴절되어 상기 분리면(110)을 통해 방출된다. 상기 분리면(110)을 통해 방출되는 광은 제2 성분(R2)으로 정의될 수 있다. 상기 제2 성분(R2)은 상기 제1 내부 반사면(120) 및 제2 내부 반사면(130)에서 반사되어, 상기 제2 성분(R2)의 강도 패턴은 상기 입력빔(IB)의 강도 패턴과 동일한 형상을 가질 수 있다. 따라서, 상기 제2 성분(R2)의 강도 패턴은 상기 제1 성분(R1)의 강도 패턴과 일 축에 대하여 반전된 형상을 가질 수 있다.
상기 프리즘(100) 내부로부터 상기 분리면(110)에 입사된 광의 다른 성분은 상기 분리면(110)에서 다시 반사될 수 있다. 상기 분리면(110)에서 반사된 성분은, 상기 제1 내부 반사면(120) 및 제2 내부 반사면(130)에서 반사되어 다시 상기 분리면(110)으로 입사할 수 있다. 즉, 상기 프리즘(100) 내부로 들어온 굴절 성분은, 상기 분리면(100)에서 반복적으로 출사 및 반사될 수 있다.
상기 프리즘(100)에 의해 반사 또는 방출되는 출력빔(OB)은 상기 제1 성분(R1) 및 상기 제2 성분(R2)이 결합된 빔으로 정의될 수 있다.
상기 제2 성분(R2)은 상기 제1 성분(R1)의 경로를 따라 상기 제1 성분(R1)과 동일한 방향으로 진행한다. 따라서, 상기 출력빔(OB)은, 상기 입력빔(IB)과 실질적으로 동일한 크기, 발산 및 레이저 빔 퀄리티 팩터(M2)를 가질 수 있다.
또한, 상기 제2 성분(R2)의 강도 패턴은 상기 제1 성분(R1)의 강도 패턴과 일 축에 대하여 반전된 형상을 가짐에 따라, 블러링(blurring)에 의해 상기 출력빔(OB)은 노이즈가 감소되고 균일도가 개선된 강도 패턴을 가질 수 있다.
이하에서 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)은 제1 방향, 상기 출력빔(OB)의 진행 방향(D2)은 제2 방향으로 지칭될 수 있다.
상기 출력빔(OB)이, 입력빔(IB)과 실질적으로 동일한 크기, 발산 및 레이저 빔 퀄리티 팩터(M2)를 가지며, 상기 입력빔(IB)보다 균일도가 개선된 강도 패턴을 갖기 위하여, 상기 프리즘(100)은 다음의 조건에 따라 디자인될 수 있다.
상기 프리즘(100)의 분리면(110)과 제1 내부 반사면(120)의 사이각(
Figure pat00019
), 상기 제1 내부 반사면(120)과 상기 제2 내부 반사면(130)의 사이각(
Figure pat00020
) 및 상기 제2 내부 반사면(130)과 상기 분리면(110)의 사이각(
Figure pat00021
)은 다음의 식 1 내지 식 4에 의해 얻어질 수 있다.
[식 1]
Figure pat00022
Figure pat00023
Figure pat00024
[식 2]
Figure pat00025
Figure pat00026
Figure pat00027
[식 3]
Figure pat00028
Figure pat00029
Figure pat00030
[식 4]
Figure pat00031
Figure pat00032
Figure pat00033
Figure pat00034
식 2에서, n은 프리즘의 굴절률이다.
식 4에서,
Figure pat00035
는 분리면(110)과 제1 내부 반사면(120) 사이에서 주광선이 이동하는 거리이고,
Figure pat00036
는 분리면(110)과 제2 내부 반사면(130) 사이에서 주광선이 이동하는 거리이다. 예를 들어,
Figure pat00037
및
Figure pat00038
는 입사광(IB)의 크기, 형상 및 프리즘 설계의 구성적 한계를 고려하여 선택되거나 계산될 수 있다.
상기 반사면들(120, 130)에서 주광선의 좌표를 나타내는
Figure pat00039
,
Figure pat00040
는, 상기 분리면(110)에서 주광선의 좌표를 (0,0)으로 가정하여 얻어진 것일 수 있다.
상기의 조건에서, 상기 분리면(110)에 대한 상기 입력빔(IB)의 입사각은 약 45도일 수 있다.
예를 들어, 상기 프리즘(100)은, 상기 입력빔(IB)에 대하여 투광성 및 안정성을 갖는 투명한 물질이 제한 없이 사용될 수 있다. 유리, 쿼츠, 용융 실리카, 마그네슘 불화물(MgF2),칼슘 불화물(CaF2),바륨 불화물(BaF2),리튬 불화물(LiF) 등을 포함할 수 있다.
상기 프리즘(100)의 분리면(110)은, 상기 입력빔(IB)을 분리하기 위한 코팅층을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅층은 유전 재료의 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅층은, 마그네슘 불화물, 이트륨 산화물, 지르코늄 산화물, 티타늄 산화물 등과 같은 금속 산화물의 다층 구조를 가질 수 있다. 상기 코팅층의 재료와 두께는, 상기 입력빔(IB)에 대하여 적절한 반사율을 가질 수 있도록 디자인될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 프리즘(100)의 분리면(110)의 상기 입력빔(IB)에 대한 반사율은, 약 33% 내지 34%일 수 있다. 상기 분리면(110)의 반사율이 1/3에 근사한 경우, 상기 입력빔(IB)으로부터 상기 분리면(110)에서 반사되는 제1 성분(R1)은 입력빔(IB)의 1/3의 강도를 가질 수 있다. 또한, 상기 프리즘(100)에서 내부 반사된 후 상기 분리면(110)을 통해 방출되는 제2 성분(R2)은, 상기 굴절 성분의 1/2에 대응되므로, 상기 입력빔(IB)의 1/3의 강도를 가질 수 있다.
따라서, 상기 제1 성분(R1)과 상기 제2 성분(R2)의 강도가 실질적으로 동일해짐에 따라 출력빔(OB)의 균일도가 향상될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 균질화기의 사시도이다. 도 3은 도 2의 레이저 빔 균질화기를 이용하여 형성된 성분들의 강도 패턴을 도시한 모식도이다.
도 2를 참조하면, 레이저 빔 균질화기는 두 개의 프리즘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 레이저 빔 균질화기는 제1 프리즘(100) 및 제2 프리즘(200)을 포함할 수 있다.
상기 제1 프리즘(100)은 기설명된 도 1에 도시된 프리즘과 동일한 구성을 갖는다.
상기 제1 프리즘(100)에서 출력된 제1 출력빔(OB1)은, 입력빔(IB)과 실질적으로 동일한 크기, 발산 및 레이저 빔 퀄리티 팩터(M2)를 가지며, 제1 축 방향으로 균일도가 개선된 강도 패턴을 갖는다.
상기 제1 출력빔(OB1)은 상기 제2 프리즘(200)에 입사한다. 상기 제2 프리즘(200)은 입사된 빔을 분리하여, 반사 및 굴절하는 분리면(210)을 갖는다.
상기 분리면(210)에서 반사된 성분은 상기 제1 출력빔(OB1)의 진행 방향(D2)과 수직한 방향(D3)으로 진행하는 제1 성분으로 정의될 수 있다.
상기 분리면(210)에서 굴절된 성분은, 상기 제2 프리즘(200) 내부로 입사하고, 상기 굴절 성분은 제1 내부 반사면(220) 및 제2 내부 반사면(230)에서 각각 반사된 후, 상기 분리면(210)에 입사한다.
상기 제2 프리즘(200) 내부로부터 상기 분리면(210)에 입사된 광의 일부는 굴절되어 상기 분리면(210)을 통해 방출된다. 상기 분리면(210)을 통해 방출되는 광은 제2 성분으로 정의될 수 있다.
상기 제1 성분과 상기 제2 성분을 포함하는 제2 출력빔(OB2)이, 상기 제1 출력빔(OB2)과 실질적으로 동일한 크기, 발산 및 레이저 빔 퀄리티 팩터(M2)를 가지며, 상기 제1 축과 수직한 제2 축 방향으로 균일도가 개선된 강도 패턴을 갖기 위하여, 상기 제2 프리즘(200)은 상기 제1 프리즘(100)의 연장축과 수직한 연장축을 갖도록 배치되며, 식 1 내지 4를 만족하도록 얻어진 내각들을 갖도록 설계될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 레이저 빔 균질화기에 입사되는 입력빔을 분리하여, 복수의 축에 대하여 반전된 강도 패턴을 갖는 성분들을 결합시킬 수 있다. 이에 따라, 출력빔의 균일도가 보다 향상될 수 있다.
예를 들어, 도 3을 참조하면, 입력빔(IB)은, 노이즈 패턴(NP)에 대응되는 고강도 피크를 갖는 강도 패턴을 가질 수 있다. NA는 노이즈 패턴(NP)의 방향을 나타낼 수 있다.
제1 프리즘(100)에서 반사되어 상기 입력빔(IB)으로부터 분리된 제1 성분(R1)은, 상기 입력빔(IB)과 비교하여 제1 축에 대하여 반전된 강도 패턴을 갖는다. 상기 제1 프리즘(100) 내부로부터 방출되는 제2 성분(R2)은, 상기 입력빔(IB)과 동일한 강도 패턴을 갖는다. 상기 제1 성분(R1)과 상기 제2 성분(R2)을 포함한 제1 출력빔(OB1)은 제2 프리즘(200)으로 입사된다.
상기 제1 성분(R1)의 일부는 상기 제2 프리즘(200)에서 반사되어 제3 성분(R3)을 형성한다. 상기 제3 성분(R3)은 상기 제1 성분(R1)과 비교하여 상기 제1 축과 수직한 제2 축에 대하여 반전된 강도 패턴을 갖는다. 상기 제1 성분(R1)의 일부는 상기 제2 프리즘(200) 내부에서 반사된 후 상기 분리면(210)을 통해 방출되며, 상기 방출된 성분은 상기 제1 성분(R1)과 동일한 강도 패턴을 갖는다.
상기 제2 성분(R2)의 일부는 상기 제2 프리즘(200)에서 반사되어 제4 성분(R4)을 형성한다. 상기 제4 성분(R4)은 상기 제2 성분(R2)과 비교하여 상기 제2 축에 대하여 반전된 강도 패턴을 갖는다. 상기 제2 성분(R2)의 일부는 상기 제2 프리즘(200) 내부에서 반사된 후 상기 분리면(210)을 통해 방출되며, 상기 방출된 성분은 상기 제2 성분(R2)과 동일한 강도 패턴을 갖는다.
이에 따라, 상기 입력빔(IB)과 비교하여, 상기 제2 출력빔(OB2)에서 피크의 강도가 1/4로 감소하고, 노이즈 패턴이 블러링될 수 있다. 따라서, 상기 제2 출력빔(OB2)은 상기 제1 출력빔(OB1) 보다 더욱 균일도가 개선될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 프리즘(200)은, 입력되는 빔의 형상, 주광선의 이동 거리 등이 제1 프리즘(100)과 다르므로, 다른 내각을 갖도록 설계될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 빔 균질화기는, 필요에 따라 셋 이상의 프리즘을 포함할 수도 있으며, 광 경로 변경을 위한 미러 부재 등과 조합되어 사용될 수도 있다.
레이저 열처리 장치
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 열처리 장치를 개략적으로 도시하는 모식도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 열처리 장치의 광학계를 개략적으로 도시하는 모식도이다.
도 4를 참조하면, 레이저 열처리 장치는, 광원(10) 및 상기 광원(10)으로부터 생성된 입력빔(IB)을 출력빔(OB)으로 변환하는 광학계(20)를 포함한다. 상기 광학계(20)에서 출사된 출력빔(OB)은, 스테이지(30) 위에 배치된 대상 기판(32)에 조사된다.
예를 들어, 상기 입력빔(IB)은, 엑시머 레이저, YAG 레이저, 유리 레이저, YVO4레이저, Ar 레이저 등으로부터 발생할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 입력빔(IB)은 엑시머 레이저일 수 있다. 엑시머 레이저는 가스의 종류에 따라 서로 다른 파장의 레이저 빔을 출력할 수 있다. 예를 들어, ArF 엑시머 레이저는 193nm 파장을 갖고, KrF 엑시머 레이저는 248nm 파장을 갖고, XeCl 엑시머 레이저는 308nm 파장을 갖고, XeF 엑시머 레이저는 351nm 파장을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 입력빔(IB)은 선편광된 광을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 입력빔(IB)은 S 편광 성분과 P 편광 성분을 포함할 수 있다.
상기 레이저 열처리 장치는 실리콘의 열처리에 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 대상 기판(32)은 비정질 실리콘층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 비정질 실리콘층은 화학증착법, 스퍼터링법, 진공증착법 등에 의해 형성될 수 있다. 상기 비정질 실리콘층은 조사된 출력빔에 의해 열처리되어 결정화됨으로써 다결정 실리콘층을 형성할 수 있다.
상기 광학계(20)는, 입력빔(IB)의 크기, 강도 분포 등과 같은 성질을 변환하여 출력빔을 생성한다. 예를 들어, 상기 입력빔의 강도 분포는 가우시안 분포를 가질 수 있으며, 상기 광학계(20)는, 상기 입력빔(IB)을 개질하여 플랫 탑(flat top) 또는 슈퍼 가우시안 분포를 갖는 출력빔을 출력할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광학계(20)는 빔 균질화부를 포함한다. 상기 빔 균질화부는, 다른 광학 수단들과 조합되어 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 광학계는, 도 5에 도시된 것과 같이, 제1 빔 균질화부(100), 빔 확장부(300), 제2 빔 균질화부(400) 및 필드(field) 렌즈(500)를 포함할 수 있다.
상기 제1 빔 균질화부(100)는, 도 1을 참조하여 설명된 빔 균질화기와 동일할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 빔 균질화부(100)는, 입력빔(IB)을 두 개의 성분으로 분할하는 분리면을 갖는 프리즘을 포함한다. 상기 레이저 빔 균질화기는 입력빔(IB)의 고차 주파수 노이즈를 필터링할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 제1 빔 균질화부(100)는, 도 2에 도시된 두 개의 프리즘을 포함할 수도 있다.
상기 제1 빔균질화부(100)에 의해 균질화된 레이저 빔은 상기 빔 확장부(300)에 의해 확장될 수 있다. 예를 들어, 상기 빔 확장부(300)는, 제1 텔레스코프 렌즈(310) 및 제2 텔레스코프 렌즈(320)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 텔레스코프 렌즈(310)는, 일축을 따라 볼록한 입사면과 평탄한 출사면을 가질 수 있다. 상기 제2 텔레스코프 렌즈(320)는, 평탄한 입사면과 상기 일축을 따라 볼록한 출사면을 가질 수 있다.
상기 제1 텔레스코프 렌즈(310)에 입사된 레이저 빔은, 굴절되어 초점에 집속된 후 분산된다. 상기 제2 텔레스코프 렌즈(320)에 입사된 빔은, 레이저 빔의 광축 방향에 평행하도록 시준된다. 상기 제2 텔레스코프 렌즈(320)에서 출력된 빔은 상기 제1 텔레스코프 렌즈(310)에 입사된 빔보다 상기 일축 방향으로 확장될 수 있다.
예를 들어, 상기 빔 확장부(300)에서 출력된 빔은 장축 방향으로 확장될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 상기 빔 확장부(300)는, 입사된 빔을 장축 방향 및 단축 방향으로 확장할 수 있다. 이를 위하여 상기 빔 확장부(300)는 일 이상의 텔레스코프 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 빔 확장부(300)에서 출력된 빔은 상기 제2 균질화부(400)에서 균질화될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 균질화부(400)는, Kohler 적분 도식(integrator scheme)에 따른 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 균질화부(400)는, 원통형 렌즈(cylindrical lens), 플라이 아이 렌즈(fly's eye lens) 등과 같은 마이크로 렌즈 어레이를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 균질화부(400)는, 제1 렌즈릿 어레이(410) 및 제2 렌즈릿 어레이(420)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 렌즈릿 어레이(410) 및 상기 제2 렌즈릿 어레이(420)는, 각각, 볼록한 입사면 또는 출사면을 가지며, 일축에 따라 배열되는 복수의 원통형 렌즈들을 포함할 수 있다.
상기 제2 균질화부(400)에 입사된 빔은, 상기 제1 렌즈릿 어레이(410) 및 상기 제2 렌즈릿 어레이(420)에 의해 굴절 및 분할되어, 균질화될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 균질화부(400)는, 입사된 빔을 장축 방향으로 균질화할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 상기 제2 균질화부(400)는, 입사된 빔을 장축 방향 및 단축 방향으로 균질화할 수 있다. 이를 위하여 상기 제2 균질화부(400)는 일 이상의 렌즈릿 어레이를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 균질화부(400)는, 균질화 과정에서 발산된 광을 시준화하기 위한 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 확장되고 균질화된 빔은, 상기 필드 렌즈(500)를 통해 집속되고 중첩되어 타겟(600)의 면에 조사될 수 있다. 예를 들어, 상기 타겟(600)은 열처리를 위한 대상 기판일 수 있으나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 타겟(600)은, 광 경로를 변경 하거나 빔 성질을 개질하기 위한 다른 광학 수단일 수도 있다.
상기에서는, 제1 균질화부, 빔 확장부, 제2 균질화부를 포함하는 광학계를 포함하는 레이저 열처리 장치에 대하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것이며, 본 발명의 실시예들에 따른 균질화기는, 균질화기를 필요로 하는 알려진 다양한 광학계 및 상기 광학계를 이용하는 다양한 장치에 적용될 수 있다.
이하에서는 구체적인 실시예를 통해서 본 발명의 실시예의 효과를 살펴보기로 한다.
실시예 1
장축 방향 길이기 50mm이고, 단축 방향 길이가 20mm인 레이저 빔(308nm)을 위한, 용융 실리카(308nm 광에 대한 굴절률: 1.4856)로 만들어진 프리즘을 다음과 같이 설계하였다.
장축에서 반전된 성분을 만들기 위한 제1 프리즘에서 주광선의 이동 거리
Figure pat00041
및
Figure pat00042
를 각각 53mm 및 64mm로 가정하고, 식 1 내지 4에 따라 계산하였다. 상기 제1 프리즘의 분리면과 제1 내부 반사면의 사이각(
Figure pat00043
), 상기 제1 내부 반사면과 제2 내부 반사면의 사이각(
Figure pat00044
) 및 상기 제2 내부 반사면과 상기 분리면의 사이각(
Figure pat00045
)은, 각각 64.14ㅀ, 61.58ㅀ 및 54.28ㅀ 였다. 또한, 상기 제1 프리즘의 반사면들에서 주광선의 좌표
Figure pat00046
,
Figure pat00047
는 각각 (50.80, -15.12) 및 (18.26, -61.34)이었다.
위와 같은 방식으로, 단축에서 반전된 성분을 만들기 위한 제2 프리즘에서 주광선의 이동 거리
Figure pat00048
및
Figure pat00049
를 각각 19.5mm 및 18mm로 가정하여 제2 프리즘의 형상을 계산한 결과, 상기 제2 프리즘의 분리면과 제1 내부 반사면의 사이각(
Figure pat00050
), 상기 제1 내부 반사면과 제2 내부 반사면의 사이각(
Figure pat00051
) 및 상기 제2 내부 반사면과 상기 분리면의 사이각(
Figure pat00052
)은, 각각 57.10ㅀ, 61.58ㅀ 및 61.32ㅀ 였다. 또한, 상기 제2 프리즘의 반사면들에서 주광선의 좌표
Figure pat00053
,
Figure pat00054
는 각각 (18.69, -5.56) 및 (5.14, -17.25) 이었다.
도 6a는 입력빔의 강도 분포 패턴을 보여주는 이미지이다. 도 6b는 실시예 1의 제1 프리즘을 통과한 출력빔의 강도 분포 패턴을 보여주는 이미지이다. 도 6c는 실시예 1의 제1 프리즘과 제2 프리즘을 통과한 출력빔의 강도 분포 패턴을 보여주는 이미지이다.
도 7a는 도 6a의 입력빔의 단면 강도 분포 그래프이고, 도 7b는 도 6c의 출력빔의 단면 강도 분포 그래프이다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 제1 프리즘을 통해, 빔의 피크 강도가232 mJ/cm2에서 229 mJ/cm2로 감소하였으며, 제2 프리즘을 통해 183 mJ/cm2로 감소하였다. 따라서, 도 2에 도시된 것과 같이, 연속적으로 배치된 프리즘들을 통해, 다른 축으로 반전된 성분들을 중첩함으로써, 피크 강도를 20% 이상 감소시킬 수 있음을 알 수 있다. 또한, 이러한 효과는 도 7a 및 7b를 통하여 확인할 수 있다.
상술한 바에서는, 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명은 레이저를 균질화하는 광학계를 포함하는 다양한 열처리 장치, 조명 장치, 광학 장치 등에 사용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 입력된 레이저 빔의 진행 방향을 변경하는 프리즘을 포함하고,
    상기 프리즘은,
    상기 입력된 레이저 빔을, 상기 레이저 빔의 진행 방향과 수직한 방향으로 진행하는 반사 성분과, 상기 프리즘 내부로 들어오는 굴절 성분으로 분리하는 분리면; 및
    상기 굴절 성분을 내부에서 반사하는 적어도 둘 이상의 내부 반사면을 포함하고,
    상기 반사 성분으로 정의되는 제1 성분과, 상기 내부 반사면에서 반사된 후 상기 분리면을 통해 방출되어 상기 제1 성분의 경로를 따르며 상기 제1 성분의 강도 패턴과 비교하여 제1 축에 대하여 반전된 강도 패턴을 갖는 제2 성분을 포함하는 레이저 빔을 출력하는, 레이저 빔 균질화기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 굴절 성분은 p 편광 성분을 포함하고, 상기 반사 성분은 s 편광 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 굴절 성분은 s 편광 성분을 포함하고, 상기 반사 성분은 p 편광 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 출력된 레이저 빔은, 상기 입력된 레이저 빔과 동일한 크기, 발산 및 레이저 빔 퀄리티 팩터를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 프리즘에서, 상기 분리면과 제1 내부 반사면의 사이각(
    Figure pat00055
    ), 상기 제1 내부 반사면과 제2 내부 반사면의 사이각(
    Figure pat00056
    ) 및 상기 제2 내부 반사면과 상기 분리면의 사이각(
    Figure pat00057
    )은 다음의 식 1 내지 식 4에 따르는 것을 특징으로 하는 빔 균질화기.
    [식 1]
    Figure pat00058

    Figure pat00059

    Figure pat00060

    [식 2]
    Figure pat00061

    Figure pat00062

    Figure pat00063

    [식 3]
    Figure pat00064

    Figure pat00065

    Figure pat00066

    [식 4]
    Figure pat00067

    Figure pat00068

    Figure pat00069

    Figure pat00070

    (식 2에서, n은 프리즘의 굴절률이다. 식 4에서,
    Figure pat00071
    는 상기 분리면과 상기 제1 내부 반사면 사이에서 주광선이 이동하는 거리이고,
    Figure pat00072
    는 상기 분리면과 상기 제2 내부 반사면 사이에서 주광선이 이동하는 거리이다.)
  6. 제5항에 있어서, 상기 분리면에 대한 상기 레이저 빔의 입사각은 45도인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 프리즘은, 상기 분리면에 결합되며 금속 산화물의 다층 구조를 갖는 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 코팅층은 33% 내지 34%의 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 프리즘은,
    상기 제1 성분과 상기 제2 성분을 포함하는 제1 출력 레이저 빔을 출력하는 제1 프리즘; 및
    상기 제1 프리즘의 연장축과 수직하는 연장축을 가지며, 상기 제1 출력 레이저 빔을 제2 출력 레이저 빔으로 변환하는 제2 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 프리즘은, 상기 제1 출력 레이저 빔의 성분들을 반사 및 굴절하여, 상기 제1 성분의 강도 패턴과 비교하여 상기 제1 축과 수직한 제2 축에 대하여 반전된 강도 패턴을 갖는 제3 성분 및 상기 제2 성분의 강도 패턴과 비교하여 상기 제2 축에 대하여 반전된 강도 패턴을 갖는 제4 성분을 생성하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 레이저 빔은 엑시머 레이저 빔, YAG 레이저 빔, 유리 레이저 빔, YVO4레이저 빔 및 Ar 레이저 빔으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  12. 레이저 빔을 생성하는 광원; 및
    상기 레이저 빔의 성질을 변환하여 대상 기판에 레이저 빔을 조사하는 광학계를 포함하고,
    상기 광학계는 프리즘을 포함하는 제1 균질화부를 포함하고,
    상기 프리즘은,
    입력된 레이저 빔을, 상기 레이저 빔의 진행 방향과 수직한 방향으로 진행하는 반사 성분과, 상기 프리즘 내부로 들어오는 굴절 성분으로 분리하는 분리면; 및
    상기 굴절 성분을 내부에서 반사하는 적어도 둘 이상의 내부 반사면을 포함하고,
    상기 반사 성분으로 정의되는 제1 성분과, 상기 내부 반사면에서 반사된 후 상기 분리면을 통해 방출되어 상기 제1 성분의 경로를 따르며 상기 제1 성분의 강도 패턴과 비교하여 제1 축에 대하여 반전된 강도 패턴을 갖는 제2 성분을 포함하는 레이저 빔을 출력하는, 레이저 열처리 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 대상 기판은 비정질 실리콘 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 광학계는,
    상기 제1 균질화부에 의해 균질화된 레이저 빔을 확장하는 빔 확장부; 및
    상기 빔 확장부에 의해 확장된 레이저 빔을 균질화하며, 렌즈릿 어레이를 포함하는 제2 균질화부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 프리즘에서, 상기 분리면과 제1 내부 반사면의 사이각(
    Figure pat00073
    ), 상기 제1 내부 반사면과 제2 내부 반사면의 사이각(
    Figure pat00074
    ) 및 상기 제2 내부 반사면과 상기 분리면의 사이각(
    Figure pat00075
    )은 다음의 식 1 내지 식 4에 따르는 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
    [식 1]
    Figure pat00076

    Figure pat00077

    Figure pat00078

    [식 2]
    Figure pat00079

    Figure pat00080

    Figure pat00081

    [식 3]
    Figure pat00082

    Figure pat00083

    Figure pat00084

    [식 4]
    Figure pat00085

    Figure pat00086

    Figure pat00087

    Figure pat00088

    (식 2에서, n은 프리즘의 굴절률이다. 식 4에서,
    Figure pat00089
    는 상기 분리면과 상기 제1 내부 반사면 사이에서 주광선이 이동하는 거리이고,
    Figure pat00090
    는 상기 분리면과 상기 제2 내부 반사면 사이에서 주광선이 이동하는 거리이다.)
  16. 제15항에 있어서, 상기 분리면에 대한 상기 레이저 빔의 입사각은 45도인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
  17. 제12항에 있어서, 상기 프리즘은, 상기 분리면에 결합되며 금속 산화물의 다층 구조를 갖는 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 코팅층은 33% 내지 34%의 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
  19. 제12항에 있어서, 상기 프리즘은,
    상기 제1 성분과 상기 제2 성분을 포함하는 제1 출력 레이저 빔을 출력하는 제1 프리즘; 및
    상기 제1 프리즘의 연장축과 수직하는 연장축을 가지며, 상기 제1 출력 레이저 빔을 제2 출력 레이저 빔으로 변환하는 제2 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제2 프리즘은, 상기 제1 출력 레이저 빔의 성분들을 반사 및 굴절하여, 상기 제1 성분의 강도 패턴과 비교하여 상기 제1 축과 수직한 제2 축에 대하여 반전된 강도 패턴을 갖는 제3 성분 및 상기 제2 성분의 강도 패턴과 비교하여 상기 제2 축에 대하여 반전된 강도 패턴을 갖는 제4 성분을 생성하는 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
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