KR20210016226A - 복굴절 프리즘을 이용한 레이저 빔 균질화기 및 이를 포함하는 레이저 열처리 장치 - Google Patents

복굴절 프리즘을 이용한 레이저 빔 균질화기 및 이를 포함하는 레이저 열처리 장치 Download PDF

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Abstract

개시된 레이저 빔 균질화기는, 입력된 레이저 빔의 광 성분들을 서로 다른 각도로 굴절시켜 분할하는 분리부 및 상기 분리된 광 성분들에 의한 발산을 보상하는 보상부를 포함한다. 상기 분리부 및 상기 보상부는 각각 복굴절성을 갖는 웨지 프리즘의 쌍을 포함하며, 하기의 식 1을 만족하도록 구성된다.
[식 1]
Figure pat00011

식 1에서, t는 상기 분리부 및 상기 보상부 사이의 거리이고, c는
Figure pat00012
이고, α는 상기 웨지 프리즘의 꼭지각이고, Λ는 상기 레이저 빔의 노이즈에 대응되는 공간 주파수의 공간 주기이다.

Description

복굴절 프리즘을 이용한 레이저 빔 균질화기 및 이를 포함하는 레이저 열처리 장치{LASER BEAM HOMOGENIZER USING BIREFRINGENT PRISM AND LASER ANNEALING DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 레이저 빔 균질화기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 복굴절 프리즘을 이용한 레이저 빔 균질화기 및 이를 포함하는 레이저 열처리 장치에 관한 것이다.
일반 적으로, 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, 고주파 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 광 성분들을 서로 다른 각도로 굴절시켜 분할하는 분리부 및 상기 분리된 광 성분들에 의한 발산을 보상하는 보상부를 포함한다. 상기 분리부 및 상기 보상부는 각각 복굴절성을 갖는 웨지 프리즘의 쌍을 포함하며, 하기의 식 1을 만족하도록 구성된다.
[식 1]
Figure pat00001
식 1에서, t는 상기 분리부 및 상기 보상부 사이의 거리이고, c는
Figure pat00002
이고, α는 상기 웨지 프리즘의 꼭지각이고, Λ는 상기 레이저 빔의 노이즈에 대응되는 공간 주파수의 공간 주기이다.
일 실시예에 따르면, 상기 분리된 광 성분들은 s 편광 성분 및 p 편광 성분을 포함한다.
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.
일 실시예에 따르면, 상기 레이저 빔은 엑시머 레이저 빔을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 웨지 프리즘은, 마그네슘 불화물(MgF2),칼슘 불화물(CaF2),바륨 불화물(BaF2)및 리튬 불화물(LiF)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 웨지 프리즘은, 마그네슘 불화물(MgF2)을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 공간 주파수의 공간 주기(Λ)는 1mm 내지 5mm이다.
일 실시예에 따르면, 상기 분리부 및 상기 보상부 사이의 거리(t)는 20mm 내지 200mm이고, 상기 웨지 프리즘의 꼭지각(α)는 5도 내지 45도이다.
일 실시예에 따르면, 상기 웨지 프리즘은, 상기 레이저 빔의 진행 방향에 수직한 라운드 형상의 단면을 갖는다.
일 실시예에 따르면, 상기 분리부는, 상기 레이저 빔의 진행 방향에 수직한 입사면을 가지고, 상기 입사면에 대하여 기울어진 출사면을 갖는 제1 웨지 프리즘; 및 상기 레이저 빔의 진행 방향에 수직한 출사면을 가지고, 상기 입사면에 대하여 기울어지며, 상기 제1 웨지 프리즘의 출사면과 중첩되는 입사면을 갖는 제2 웨지 프리즘을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 보상부는, 상기 레이저 빔의 진행 방향에 수직한 입사면을 가지고, 상기 입사면에 대하여 기울어진 출사면을 갖는 제3 웨지 프리즘; 및 상기 레이저 빔의 진행 방향에 수직한 출사면을 가지고, 상기 출사면에 대하여 기울어지며, 상기 제3 웨지 프리즘의 출사면과 중첩되는 입사면을 갖는 제4 웨지 프리즘을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 웨지 프리즘의 결정축과 상기 제4 웨지 프리즘의 결정축은 동일한 방향으로 연장되고, 상기 제2 웨지 프리즘의 결정축과 상기 제3 웨지 프리즘의 결정축은 동일한 방향으로 연장된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 열처리 장치는, 레이저 빔을 생성하는 광원; 및 상기 입력빔의 성질을 변환하여 출력빔을 생성하는 광학계를 포함한다. 상기 광학계는, 입력된 레이저 빔의 광 성분들을 서로 다른 각도로 굴절시켜 분할하는 분리부, 및 상기 분리된 광 성분들에 의한 발산을 보상하는 보상부를 포함하는 제1 균질화부를 포함한다. 상기 분리부 및 상기 보상부는 각각 복굴절성을 갖는 웨지 프리즘의 쌍을 포함한다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 간단하고 신뢰성 있는 레이저 빔 균질화기를 이용하여 고출력 레이저의 고차 주파수 노이즈를 효과적으로 필터링할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 균질화기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 균질화기의 웨지 프리즘의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 균질화기의 사시도이다.
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 6a은 파장이 308nm이고, 우세한 공간 주파수의 공간 주기가 2mm인 불균일 패턴을 갖는 입력빔의 단면 강도 분포를 도시한 그래프이다.
도 6b는 실시예 1의 균질화기에 의해 균질화된 빔의 단면 강도 분포를 도시한 그래프이다.
도 7a는 파장이 308nm이고, 우세한 공간 주파수의 공간 주기가 2mm인 불균일 패턴을 갖는 입력빔의 2d 강도 분포 이미지이다.
도 7b는 실시예 1의 균질화기에 의해 균질화된 빔의 2d 강도 분포 이미지이다.
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 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 균질화기의 웨지 프리즘의 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 균질화기의 사시도이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 레이저 빔 균질화기는, 분리부(110) 및 보상부(120)를 포함한다.
상기 분리부(110)는, 입력빔(IB)의 편광 성분들을 서로 다른 각도로 굴절시켜 분리한다. 예를 들어, 상기 입력광(IB)은, 상기 분리부(110)에 의해 S 편광 성분과 P 편광 성분으로 분리될 수 있다.
상기 보상부(120)는, 상기 분리부(110)에 의한 광의 발산을 보상한다. 예를 들어, 상기 분리된 S 편광 성분과 P 편광 성분은, 상기 보상부(120)에 의해 서로 다른 각도로 굴절되어 평행한 방향으로 진행할 수 있다. 상기 보상부(120)로부터 출력된 출력빔(OB) 내에서 상기 S편광과 상기 P편광은 일정한 거리(d)로 쉬프트될 수 있다.
상기 분리부(110) 및 상기 보상부(120)는 각각 편광 프리즘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 분리부(110) 및 상기 보상부(120)는 각각 월라스톤 프리즘(Wollaston prism)을 포함할 수 있다. 상기 월라스톤 프리즘은, 상기 분리부(110)와 상기 보상부(120)의 사이의 거리를 최소화할 수 있어, 장치 소형화 등의 관점에서 바람직하게 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 입력광을 분리 및 보상할 수 있는 다른 편광 프리즘 또는 편광 시스템이 사용될 수도 있다.
예를 들어, 상기 분리부(110) 및 상기 보상부(120)는 각각 쐐기 형태의 복굴절 부재 쌍의 조합을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 분리부(110)는, 제1 웨지 프리즘(112) 및 제2 웨지 프리즘(114)을 포함한다. 상기 제1 웨지 프리즘(112) 및 상기 제2 웨지 프리즘(114)은 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)에 수직한 방향(D2)을 따라 보았을 때, 직각 삼각형의 단면을 가지며, 경사면들이 중첩하도록 결합된다.
일 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 것과 같이, 상기 제1 웨지 프리즘(112)은 일 방향으로 복굴절축(BA)을 가지며, 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)을 따라 보았을 때, 라운드 형상의 단면을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 웨지 프리즘(112)은, 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)에 수직한 입사면을 가지고, 상기 입사면에 대하여 기울어진 출사면을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 웨지 프리즘(114)은, 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)에 수직한 출사면을 가지고, 상기 출사면에 대하여 기울어지며 상기 제1 웨지 프리즘(112)의 출사면에 중첩되는 입사면을 가질 수 있다. 따라서, 상기 분리부(110)는 전체적으로, 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)을 따라 연장되는 원통 형상을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 상기 웨지 프리즘들은 입력빔(IB)의 단면 등에 따라 다각형 형상 등 다양한 형상의 단면을 가질 수 있다.
상기 제1 웨지 프리즘(112)과 상기 제2 웨지 프리즘(114)은 서로 다른 방향의 결정축을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 웨지 프리즘(112)의 결정축은 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)에 연직한 방향(D3)으로 연장될 수 있고, 상기 제2 웨지 프리즘(112)의 결정축은 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)에 수평으로 수직한 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 본 출원에서, 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)은 제1 방향, 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)에 수평으로 수직한 방향(D2)은 제2 방향, 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)에 연직한 방향(D3)은 제3 방향으로 지칭될 수 있다.
예를 들어, 상기 보상부(120)는, 제3 웨지 프리즘(122) 및 제4 웨지 프리즘(124)을 포함한다. 상기 제3 웨지 프리즘(122) 및 상기 제4 웨지 프리즘(124)은 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)에 수직한 방향(D2)을 따라 보았을 때, 직각 삼각형의 단면을 가지며, 경사면들이 서로 중첩하도록 결합된다.
일 실시예에 따르면, 상기 제3 웨지 프리즘(122)은, 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)을 따라 보았을 때, 라운드 형상의 단면을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제3 웨지 프리즘(122)은, 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)에 수직한 입사면을 가지고, 상기 입사면에 대하여 기울어진 출사면을 가질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제3 웨지 프리즘(122)의 경사면과 상기 제1 웨지 프리즘(112)의 경사면은 서로 평행하도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 제4 웨지 프리즘(124)은, 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)에 수직한 출사면을 가지고, 상기 출사면에 대하여 기울어지며 상기 제3 웨지 프리즘(122)의 출사면에 중첩되는 입사면을 가질 수 있다.
상기 제3 웨지 프리즘(122)과 상기 제4 웨지 프리즘(124)은 서로 다른 방향의 결정축을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 웨지 프리즘(122)의 결정축은 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)에 수평으로 수직한 방향(D2)으로 연장될 수 있고, 상기 제4 웨지 프리즘(124)의 결정축은 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)에 연직한 방향(D3)으로 연장될 수 있다.
따라서, 상기 제1 웨지 프리즘(112)의 결정축과 상기 제4 웨지 프리즘(124)의 결정축은 동일한 방향으로 연장될 수 있으며, 상기 제2 웨지 프리즘(114)의 결정축과 상기 제3 웨지 프리즘(122)의 결정축은 동일한 방향으로 연장될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 내지 상기 제4 프리즘(124)의 꼭지각은, 상기 입력빔(IB)의 진행 방향(D1)에 수직한 면과 경사면의 사이각(α)으로 정의될 수 있다.
상기 제1 내지 상기 제4 프리즘(124)은 각각 정상 굴절률과 이상 굴절률을 갖도록 복굴절 물질을 포함한다.
예를 들어, 상기 제1 내지 상기 제4 프리즘(124)은, 마그네슘 불화물(MgF2),칼슘 불화물(CaF2),바륨 불화물(BaF2),리튬 불화물(LiF) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 엑시머 레이저 등과 같은 고출력 레이저에 대한 투광도, 내열성, 복굴절률 등을 고려하였을 때, 마그네슘 불화물이 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 레이저 빔 균질화기는, 레이저 빔을 균질화하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 입력빔(IB)의 프로파일은 불균일 패턴을 가질 수 있으며, 상기 불균일 패턴은, 노이즈에 대응되는 우세한 공간 주파수(dominant spatial frequency)를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 레이저 빔 균질화기는, 불균일 패턴을 갖는 입력빔(IB)의 성분들을 분리하여 시프트를 유도함으로써, 입력빔(IB)의 노이즈를 형성하는 우세한 공간 주파수를 필터링할 수 있다.
상기 필터링 효과를 최대화하기 위하여, 상기 레이저 빔 균질화기의 구성은 다음의 식 1에 따를 수 있다.
[식 1]
Figure pat00003
식 1에서, t는 상기 분리부(110) 및 상기 보상부(120) 사이의 거리이고, c는
Figure pat00004
이고, α는 웨지 프리즘의 꼭지각이고, Λ는 노이즈에 대응되는 우세한 공간 주파수의 공간 주기(spatial period)이다.
상기 우세한 공간 주파수의 공간 주기(Λ)는, 실험적 측정에 의해 얻어질 수 있으며, 예를 들어, 1mm 내지 5mm일 수 있다.
상기 식 1은 다음에 의해 도출될 수 있다.
도 1의 레이저 빔 균질화기에서 분리된(발산된) 두 성분 사이의 거리 d는
Figure pat00005
이다(δ는 분리된 두 성분의 발산 각도).
입력빔(IB)이 우세한 공간 주파수를 갖는 불균일한 패턴을 갖는 경우, 이를 효과적으로 필터링하기 위한 두 성분 사이의 거리 d는 Λ/2이다.
월라스톤 프리즘 조합을 이용하여 두 성분들의 발산을 보상하기 위해서는 다음의 조건을 만족할 필요가 있다.
[식 2]
Figure pat00006
상기의 조건들은 조합하여 식 1이 도출될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 t는 20mm 내지 200mm일 수 있고, 상기 웨지 프리즘의 꼭지각은 5도 내지 45도일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 웨지 프리즘의 꼭지각, 굴절률 차이 및 분리부와 보상부 사이의 거리를 조절함으로써, 우세한 공간 주파수를 갖는 노이즈를 필터링할 수 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 1 내지 3을 참조하여 설명된 빔 균질화기와 동일할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 빔 균질화부(100)는, 쐐기 형태의 복굴절 부재 쌍을 각각 포함하는, 분리부(110)와 보상부(120)를 포함할 수 있다.
상기 제1 빔 균질화부(100)는, 상기 입력빔(IB)의 우세한 공간 주파수를 갖는 노이즈를 필터링하여 균일도가 개선된 빔을 출력할 수 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
꼭지각이 20도이고, 마그네슘 불화물로 이루어지고, 둥근 단면을 가지며, 입력빔의 파장이 308nm인 경우, 굴절률은 각각 1.391881 및 1.404286인 웨지 프리즘들을 조합하여 균질화기를 디자인하였다.
상기 입력빔이, 우세한 공간 주파수의 공간 주기가 2mm인 불균일 패턴을 갖는다고 가정하여, 식 1에 따라 분리부와 보상부 사이의 거리(t)를 약 110mm로 설정하였다.
도 6a은 파장이 308nm이고, 우세한 공간 주파수의 공간 주기가 2mm인 불균일 패턴을 갖는 입력빔의 단면 강도 분포를 도시한 그래프이다. 도 6b는 실시예 1의 균질화기에 의해 균질화된 빔의 단면 강도 분포를 도시한 그래프이다. 도 7a는 파장이 308nm이고, 우세한 공간 주파수의 공간 주기가 2mm인 불균일 패턴을 갖는 입력빔의 2d 강도 분포 이미지이다. 도 7b는 실시예 1의 균질화기에 의해 균질화된 빔의 2d 강도 분포 이미지이다.
도 6a 내지 도 7b를 참조하면, 실시예 1의 균질화기를 이용하여 우세한 공간 주파수를 갖는 입력빔을 균질화할 수 있음을 알 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 광 성분들을 서로 다른 각도로 굴절시켜 분할하는 분리부; 및
    상기 분리된 광 성분들에 의한 발산을 보상하는 보상부를 포함하고,
    상기 분리부 및 상기 보상부는 각각 복굴절성을 갖는 웨지 프리즘의 쌍을 포함하며, 하기의 식 1을 만족하도록 구성되는 레이저 빔 균질화기.
    [식 1]
    Figure pat00007

    (식 1에서, t는 상기 분리부 및 상기 보상부 사이의 거리이고, c는
    Figure pat00008
    이고, α는 상기 웨지 프리즘의 꼭지각이고, Λ는 상기 레이저 빔의 노이즈에 대응되는 공간 주파수의 공간 주기이다.)
  2. 제1항에 있어서, 상기 분리된 광 성분들은 s 편광 성분 및 p 편광 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  3. 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.
  4. 제3항에 있어서, 상기 레이저 빔은 엑시머 레이저 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 웨지 프리즘은, 마그네슘 불화물(MgF2),칼슘 불화물(CaF2),바륨 불화물(BaF2)및 리튬 불화물(LiF)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 웨지 프리즘은, 마그네슘 불화물(MgF2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 공간 주파수의 공간 주기(Λ)는 1mm 내지 5mm인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 분리부 및 상기 보상부 사이의 거리(t)는 20mm 내지 200mm이고, 상기 웨지 프리즘의 꼭지각(α)는 5도 내지 45도인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 웨지 프리즘은, 상기 레이저 빔의 진행 방향에 수직한 라운드 형상의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 분리부는,
    상기 레이저 빔의 진행 방향에 수직한 입사면을 가지고, 상기 입사면에 대하여 기울어진 출사면을 갖는 제1 웨지 프리즘; 및
    상기 레이저 빔의 진행 방향에 수직한 출사면을 가지고, 상기 입사면에 대하여 기울어지며, 상기 제1 웨지 프리즘의 출사면과 중첩되는 입사면을 갖는 제2 웨지 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  11. 제2항에 있어서, 상기 보상부는,
    상기 레이저 빔의 진행 방향에 수직한 입사면을 가지고, 상기 입사면에 대하여 기울어진 출사면을 갖는 제3 웨지 프리즘; 및
    상기 레이저 빔의 진행 방향에 수직한 출사면을 가지고, 상기 출사면에 대하여 기울어지며, 상기 제3 웨지 프리즘의 출사면과 중첩되는 입사면을 갖는 제4 웨지 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 웨지 프리즘의 결정축과 상기 제4 웨지 프리즘의 결정축은 동일한 방향으로 연장되고, 상기 제2 웨지 프리즘의 결정축과 상기 제3 웨지 프리즘의 결정축은 동일한 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 균질화기.
  13. 레이저 빔을 생성하는 광원; 및
    상기 레이저 빔의 성질을 변환하여 대상 기판에 레이저 빔을 조사하는 광학계를 포함하고,
    상기 광학계는,
    입력된 레이저 빔의 광 성분들을 서로 다른 각도로 굴절시켜 분할하는 분리부, 및 상기 분리된 광 성분들에 의한 발산을 보상하는 보상부를 포함하는 제1 균질화부를 포함하고,
    상기 분리부 및 상기 보상부는 각각 복굴절성을 갖는 웨지 프리즘의 쌍을 포함하며, 하기의 식 1을 만족하도록 구성되는, 레이저 열처리 장치.
    [식 1]
    Figure pat00009

    (식 1에서, t는 상기 분리부 및 상기 보상부 사이의 거리이고, c는
    Figure pat00010
    이고, α는 상기 웨지 프리즘의 꼭지각이고, Λ는 상기 레이저 빔의 노이즈에 대응되는 공간 주파수의 공간 주기이다.)
  14. 제13항에 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. 제13항에 있어서, 상기 분리된 광 성분들은 s 편광 성분 및 p 편광 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
  16. 제13항에 있어서, 상기 레이저 빔은 엑시머 레이저 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
  17. 제13항에 있어서, 상기 웨지 프리즘은 마그네슘 불화물(MgF2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
  18. 제13항에 있어서, 상기 공간 주파수의 공간 주기(Λ)는 1mm 내지 5mm이고, 상기 분리부 및 상기 보상부 사이의 거리(t)는 20mm 내지 200mm이고, 상기 웨지 프리즘의 꼭지각(α)는 5도 내지 45도인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
  19. 제13항에 있어서, 상기 분리부는,
    상기 레이저 빔의 진행 방향에 수직한 입사면을 가지고, 상기 입사면에 대하여 기울어진 출사면을 갖는 제1 웨지 프리즘; 및
    상기 레이저 빔의 진행 방향에 수직한 출사면을 가지고, 상기 입사면에 대하여 기울어지며, 상기 제1 웨지 프리즘의 출사면과 중첩되는 입사면을 갖는 제2 웨지 프리즘을 포함하고,
    상기 보상부는,
    상기 레이저 빔의 진행 방향에 수직한 입사면을 가지고, 상기 입사면에 대하여 기울어진 출사면을 갖는 제3 웨지 프리즘; 및
    상기 레이저 빔의 진행 방향에 수직한 출사면을 가지고, 상기 출사면에 대하여 기울어지며, 상기 제3 웨지 프리즘의 출사면과 중첩되는 입사면을 갖는 제4 웨지 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제1 웨지 프리즘의 결정축과 상기 제4 웨지 프리즘의 결정축은 동일한 방향으로 연장되고, 상기 제2 웨지 프리즘의 결정축과 상기 제3 웨지 프리즘의 결정축은 동일한 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.
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