KR20210114400A - 레이저 어닐링을 위한 다이오드 펌핑 고체 레이저 장치 - Google Patents

레이저 어닐링을 위한 다이오드 펌핑 고체 레이저 장치 Download PDF

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KR20210114400A
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fundamental
resonator
axis
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노먼 호지슨
안드레아 카프라라
카이 슈미트
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코히어런트, 인크.
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Abstract

레이저 어닐링 장치는 복수의 주파수 3배화 고체 레이저를 포함하고 있고, 각각은 340nm와 360nm 사이의 파장에서 출력 빔을 방출한다. 각각의 출력 빔은 하나의 가로축에서는 50보다 크고 다른 하나의 가로축에서는 20보다 큰 빔 품질 계수(M2)를 가지고 있다. 상기 출력 빔은 결합되어 어닐링되는 기판에 투사되는 라인 빔으로 형성된다. 각각의 출력 빔은 상기 라인 빔의 길이에 기여한다.

Description

레이저 어닐링을 위한 다이오드 펌핑 고체 레이저 장치
본 발명은 대체로 라인 빔으로 투사되는 자외선 레이저 광선을 이용하는 비정질 실리콘 층의 어닐링에 관한 것이다. 본 발명은 특히 복수의 레이저로부터 방출되는 레이저 광선이 결합되어 라인 빔으로 투사되는 방식의 어닐링에 관한 것이다.
레이저 어닐링은 박막 트랜지스터(TFT)가 형성되는 기판에 얇은 비정질 실리콘 층을 녹인 다음, 냉각되는 실리콘을 결정화하여 대형 고해상도 LCD 디스플레이와 OLED 디스플레이를 생산하는데 사용된다. 상기 어닐링 공정은 280 나노미터(nm) 내지 360nm 범위의 파장에서, 약 1%보다 작은 낮은 RMS 펄스-에너지 노이즈를 가진 안정적인 펄스 자외선 레이저를 필요로 한다. 자외선 레이저에 의해서 생성된 레이저 빔은 상기 실리콘 층을 가로질러서 주사(走査)되는 라인 빔으로 형성된다. 상기 레이저 빔은 반점이 없는 균일한 라인 빔(speckle-free homogenous line-beam)을 형성하기 위해서 매우 낮은 빔 품질(beam-quality)을 가져야 한다. 빔 품질은 단위가 없는 빔 품질 계수 M2로 측정된다. 매우 낮은 빔 품질은 매우 높은 M2 값에 해당한다
현재, 이러한 레이저 빔은 고출력 엑시머 레이저 또는 이러한 엑시머 레이저들의 조합에 의해 제공된다. 예를 들면, 308nm의 파장을 가진 레이저 광선을 생성하는 크세논 클로라이드(XeCl) 엑시머 레이저가 있다. 엑시머 레이저는 일반적으로 초기압 기체 방전 레이저(super-atmospheric gas-discharge laser)로 특징지어질 수 있다. 레이저 빔은 라인 빔의 길이 치수와 폭 치수에 각각 대응하는 긴 축과 짧은 축으로 특징지어진 기다란 단면을 가지고 있다. 상기 라인 빔은 길이 치수와 폭 치수를 따라서 균일하거나 "일정한" 세기 분포를 가진다.
통상적으로, 어닐링에 사용되는 XeCl 엑시머 레이저의 레이저 빔의 M2 값은 짧은 축에서는 약 80이고 긴 축에서는 약 500이며, 1/e2 전폭 빔 치수는 짧은 축에서는 약 20 밀리미터(mm)이고 긴 축에서는 약 45mm이다. 이러한 여러 개의 엑시머 레이저의 레이저 빔은 결합되어 약 0.4mm의 폭과 약 750mm 내지 약 1500mm의 길이를 가진 라인 빔으로 투사된다. 밀리미터의 길이 당 필요한 자외선 출력(ultraviolet power)은 약 600 헤르츠(Hz)의 펄스 반복 주파수 및 약 25 나노초(ns)의 펄스 지속시간에서 약 2.5 와트(W)이다. 1500mm의 라인 빔 길이에 대해서, 약 3.6 킬로와트(kW)의 자외선 출력이 필요하며, 이것은 각각 1 줄(J)의 펄스 에너지를 제공하는 6개의 각각의 600W 레이저의 출력을 결합함으로써 달성될 수 있다.
엑시머 레이저의 한 가지 단점은 높은 자본 비용이며, 이것은, 그 중에서도, 방전 전극과 이러한 방전 전극에 30 킬로볼트(kV)보다 높은 피크 전압을 가진 전기 펄스를 전달할 수 있는 전력 공급 장치를 포함하는 복잡한 가스관에 대한 요건 때문이다. 엑시머 레이저의 또 다른 단점은 가스관 수명이 1년 미만으로 제한되고 그 수명 동안 가스관의 창의 빈번한 교체로 인해 가동 비용이 높다는 것이다.
엑시머 레이저 어닐링 장치보다 낮은 자본 비용과 낮은 가동 비용을 가지는 자외선 레이저 어닐링 장치가 필요하다. 바람직하게는, 자외선 레이저 어닐링 장치가 위에서 설명한 엑시머 레이저 어닐링 장치에 의해 제공되는 것에 필적하는 펄스 에너지 및 빔 파라미터를 제공할 수 있을 것이다.
하나의 실시형태로서, 본 발명에 따른 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치는 복수의 주파수 변환 반복 펄스 고체 레이저(frequency-converted repetitively-pulsed solid-state laser)를 포함하고 있다. 각각의 레이저는 전자기 스펙트럼의 자외선 영역의 파장을 가지는 출력 빔을 방출하며, 상기 출력 빔은 서로 직교하는 제1 가로축과 제2 가로축으로 특징지어진 단면, 약 50보다 큰 제1 가로축에서의 빔 품질 계수 M2, 그리고 약 20보다 큰 제2 가로축에서의 빔 품질 계수 M2를 가진다. 각각의 출력 빔의 레이저 펄스는 약 100 밀리줄보다 큰 펄스 에너지와 약 100 헤르츠보다 큰 펄스 반복 주파수를 가지고 있다. 상기 광학 장치는 상기 출력 빔을 수용하고, 상기 출력 빔을 라인 빔으로 형성하고, 상기 라인 빔을 상기 층에 투사하도록 배열된 라인 프로젝터(line-projector)를 더 포함하고 있다. 상기 라인 빔은 상기 층에서 길이와 폭을 가진다.
본 명세서에 포함되어 있으며 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 실시례를 개략적으로 나타내고 있고, 상기한 일반적인 설명 및 아래에 제공된 바람직한 실시례의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 고반사 공진기 거울과 출력 결합 공진기 거울의 사이에 형성된 공진기에 배치된 평판(slab) 형상의 이득 요소(gain element)를 가지고 있고, 상기 공진기는 긴 가로축과 짧은 가로축에서 높은 빔 품질 계수(M2) 값을 가지는 근적외선 빔을 발생시키고, 상기 근적외선 빔은 비선형 결정에 의해서 가시광선 빔으로 변환되고, 상기 근적외선 빔과 가시광선 빔은 다른 비선형 결정에 의해서 자외선 빔으로 변환되는, 본 발명에 따른 외부 주파수 3배화 반복 펄스 고체 레이저(externally-frequency-tripled repetitively-pulsed solid-state laser)의 바람직한 실시례를 개략적으로 나타내며, 상기 레이저는 기다란 단면과 높은 M2 값을 가지는 자외선 출력 빔을 방출하도록 배치되고 구성되어 있다.
도 1b는 도 1a의 레이저의 이득 요소와 2개의 공진기 거울의 세부 사항을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 1c는 자외선 출력 빔이 방출되는 창을 가진 하우징 내에 있는 도 1a의 레이저를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 2개의 가로축에 대한 예시적인 M2 값과 단면 빔 치수가 표시되어 있다.
도 2a는 편평한 공진기 거울을 가진 도 1a의 레이저의 예에서, 이득 요소의 상이한 열 렌즈에 대해, 공진기 길이의 함수로서 근적외선 빔에 대해 짧은 축에서 계산된 M2 값을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 2b는 오목한 공진기 거울을 가진 도 1a의 레이저의 예에서, 이득 요소의 상이한 열 렌즈에 대해, 공진기 길이의 함수로서 근적외선 빔에 대해 짧은 축에서 계산된 M2 값을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 2c는 도 2a의 예에서, 이득 요소의 상이한 열 렌즈에 대해, 공진기 길이의 함수로서 근적외선 빔에 대해 긴 축에서 계산된 M2 값을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 2a의 예에서, 상이한 공진기 거울 곡률에 대해, 공진기 길이의 함수로서 근적외선 빔에 대해 짧은 축에서 계산된 M2 값을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 2a의 예에서, 상이한 펄스 반복 주파수에 대해, 출력 결합 공진기 거울 반사율의 함수로서 계산된 근적외선 출력을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 4의 예에서 출력 결합 공진기 거울 반사율의 함수로서 FWHM 펄스 지속시간을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 6은 2개의 상이한 LBO 결정 온도에 대해, LBO 결정에서 전파 거리의 함수로서 유형-1 비임계 위상 정합 LBO 결정(non-critically phase-matched LBO crystal)에서 계산된 백분율 제2 고조파 변환 효율과 제2 고조파 생성에 의해 발생된 가시광선 빔에 대해 긴 축에서 계산된 M2 값을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 7은 2개의 상이한 결정 온도에 대해, 도 6의 LBO 결정에서 전파 거리의 함수로서 근적외선 빔에서 계산된 변환되지 않은 출력의 백분율과 근적외선 빔에 대해 긴 축에서 계산된 M2 값을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 8a는 90℃의 온도에서, 2개의 LBO 결정에서 전파 거리의 함수로서 계산된 백분율 변환 효율과 2개의 LBO 결정에서 합 주파수 믹싱(sum-frequency mixing)에 의해 만들어진 자외선 출력 빔에 대해 2개의 가로축에서 계산된 M2 값을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 8b는 100℃의 온도에서, 2개의 LBO 결정에서 전파 거리의 함수로서 계산된 백분율 변환 효율과 2개의 LBO 결정에서 합 주파수 믹싱에 의해 만들어진 자외선 출력 빔에 대해 2개의 가로축에서 계산된 M2 값을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 도 1의 레이저와 유사하지만, 근적외선 빔과 가시광선 빔이 2개의 비선형 결정에 의해 자외선 빔으로 변환되는, 본 발명에 따른 외부 주파수 3배화 반복 펄스 고체 레이저의 바람직한 실시례를 개략적으로 나타내고 있다.
도 10은 도 9a의 레이저와 각각 유사하며, 공간적으로 결합되어 있는 2개의 비편광된 자외선 출력 빔을 제공하는, 2개의 외부 주파수 3배화 반복 펄스 고체 레이저를 가진 본 발명에 따른 바람직한 실시례를 개략적으로 나타내고 있다.
도 11은 본 발명에 따른 내부 주파수 3배화 반복 펄스 고체 레이저의 바람직한 실시례를 개략적으로 나타내고 있다.
도 12a, 도 12b 및 도 12c는 6개의 도 1a의 레이저의 자외선 출력 빔을 결합하여 어닐링될 실리콘 층에 투사되는 라인 빔을 형성하는 라인 프로젝터의 바람직한 실시례를 개략적으로 나타내고 있다.
유사한 부분들이 유사한 참고번호로 표시되어 있는 도면을 참고하면, 도 1a는 본 발명에 따른 외부 주파수 3배화 반복 펄스 고체 레이저(externally-frequency-tripled repetitively-pulsed solid-state laser)의 바람직한 실시례(10)를 개략적으로 나타내고 있다. 레이저(10)는 고반사 공진기 거울(14)(HR 거울)과 부분적으로 투과하는 출력 결합 공진기 거울(16)(OC 거울) 사이에 형성된 선형 공진기(12)를 가지고 있다. 데카르트 좌표계의 x-축, y-축, 그리고 z-축이 참조용으로 도면에 표시되어 있다.
공진기(12)는 고반사 공진기 거울(14)과 출력 결합 공진기 거울(16) 사이에 배치되어 있는 평판 형태의 이득 요소(18)를 포함하고 있다. 공진기(12)는 도 1b에 사시도로 개략적으로 도시되어 있다. 공진기 내의 다른 구성요소들은 도시의 단순화를 위해서 도 1b에서 생략되어 있다. 이득 요소(18)는 2차원 다이오드 레이저 어레이(20A, 20B)로부터의 펌프 방사(pump-radiation)에 의해 활성화(energization)된다. 펌프 방사는 도 1a에서 화살표 E로 표시되어 있다. 펌프 방사는 다이크로익 거울(dichroic mirror)(22A, 22B) 각각에 의해 이득 요소로 접혀진다. 하나의 예로서, 이득 요소는 네오디뮴(Nd3 +) 첨가 또는 이테르븀(Yb3 +) 첨가 이트륨 알루미늄 가넷(YAG) 또는 이트륨 오르토바나듐산염(yttrium orthovanadate)(YVO4) 결정일 수 있다. 이러한 결정은, 전자기 스펙트럼의 근적외선 영역에서, 도펀트 이온(dopant ion)과 결정 물질의 특징인 약 1020nm 내지 약 1080nm의 파장에서 광 이득(optical gain)을 제공한다.
활성화된 이득 요소(18)는 공진기(12)에서 순환하는 근적외선 파장을 가진 기본 방사 빔을 발생시킨다. 이 기본 방사(fundamental radiation)는 화살표 F로 표시되어 있다. 순환하는 기본 방사는 선형 편광되어, 화살표 PF로 표시된 편광 방향(polarization-orientation)을 가진다. 이 편광 방향은 상기 공진기에 배치된 박막 편광기(24)에 의해서 정해진다. 상기 공진기의 Q 스위치 펄스 작동(Q-switched pulsed operation)은 공진기(12)에 배치된 4분의 1 파장판(28)과 포켈스 셀(26)에 의해 협력적으로 수행된다.
이득 요소의 바람직한 엔드 펌핑(end-pumping)과 Q 스위치 펄스 작동은 예시적인 것이며 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 당업자는, 본 발명의 기술사상과 범위로부터 벗어나지 않고서, 이득 요소(18)가 사이드 펌핑(side-pumping)될 수 있다는 것과 "공동 덤핑형" 펄스 작동("cavity dumped" pulsed-operation)이 이용될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
공진기(12)로부터의 출력 기본 방사 빔은 OC 거울(16)을 통하여 투과되어 렌즈(30)에 의해 기본 방사의 유형-1 주파수 2배화(frequency-doubling)를 위해 배치되어 있는 광학적 비선형 결정(32)으로 집속된다. 2분의 1 파장판(34)이 비선형 결정(32)으로 향하는 기본 방사의 편광 방향을 90°회전시킨다. 기본 방사의 일부는 비선형 결정(32)에 의해 전자기 스펙트럼의 가시광선 영역의 파장을 가지는 제2 고조파 방사 빔으로 변환되고, 기본 방사의 잔여 빔을 남긴다. 예를 들면, 기본 방사의 약 50%까지 변환된다. 제2 고조파 방사는 도면에서 이중 화살표 2H로 표시되어 있다. 제2 고조파 방사는, 화살표 P2H로 표시된, 기본 방사의 편광 방향과 직교하는 편광 방향을 가진다.
제2 고조파 방사 및 잔여 기본 방사는 모두 렌즈(36)에 의해, 선택적인 파장판(38)을 통과하여, 광학적 비선형 결정(40)으로 집속된다. 비선형 결정(40)은 제3 고조파 방사 빔을 발생시키기 위해서 제2 고조파 방사와 잔여 기본 방사의 유형-1 합 주파수 믹싱을 위해 배치되어 있다. 제3 고조파 방사는 도면에서 삼중 화살표 3H로 표시되어 있다. 제2 고조파 생성과 합 주파수 믹싱을 위한 적절한 결정은 리튬 트리보레이트(LBO), 베타 붕산 바륨(BBO), 세슘 붕산염(CB), 그리고 세슘 리튬 붕산염(CLBO)을 포함한다. 상기한 1020nm 내지 1080nm의 파장의 주파수 3배화(frequency-tripling)는 약 340nm 내지 약 360nm의 출력 파장을 제공한다.
선택적인 파장판(38)은 기본 방사의 편광 회전을 제공하지 않고 제2 고조파 방사의 90도 편광 회전을 제공하여, 유형-1 합 주파수 믹싱을 위해 편광 방향을 정렬시키도록 구성되어 있다. 제3 고조파 방사는, 화살표 P3H로 표시된, 기본 방사와 제2 고조파 방사의 편광 방향과 직교하는 편광 방향을 가진다. 출력 제3 고조파 방사의 편광 방향은, 특정 용도를 위해 필요한 경우, 다른 2분의 1 파장판(도시되어 있지 않음)에 의해 회전될 수 있다. 출력 제3 고조파 방사는 렌즈(42)에 의해 평행하게 되어, 평행한 자외선 출력 빔(44)을 형성한다. 합 주파수 믹싱 후에 약간의 잔여 기본 방사 및 잔여 제2 고조파 방사(도시되어 있지 않음)가 있다. 이러한 잔여 방사는, 박막 간섭 필터와 같은, 필터(도시되어 있지 않음)에 의해 출력 제3 고조파 방사로부터 분리될 수 있다. 잔여 방사는 대부분의 경우에 제거되는 것이 바람직하다.
공진기(12)로부터 나오는 출력 기본 방사 빔과 자외선 출력 빔(44)은, 도 1a와 도 1b에 도시되어 있는 것과 같이, x-축에 평행한 제1 가로축과, y-축에 평행한 제2 가로축을 가지며, z-축을 따라서 전파한다. 가로지르는 x-축과 가로지르는 y-축은 서로 직교한다. HR 거울(14)과 OC 거울(16)은 편평하게 될 수 있거나 제2 가로축에서만 반사력(catoptric power)을 가지는 원통형으로 될 수 있다.
제1 가로축은 이하에서 "수평 축" 또는 "긴 축"이라고 한다. 제2 가로축은 이하에서 "수직 축" 또는 "짧은 축"이라고 한다. z-축은 "전파 축"이라고 한다. "수평", "수직", "긴", 그리고 "짧은"과 같은 용어는 설명의 편의를 위해 사용된다. "수평"과 "수직"은 사용 중인 레이저 장치의 공간적 방위(spatial orientation)를 제한하기 위한 것이 아니다. 마찬가지로, "긴"과 "짧은"은 렌즈와 거울에 의해 쉽게 변형되는 빔의 종횡비(aspect ratio)를 제한하기 위한 것이 아니다. 당업자는 출력 빔의 짧은 축과 긴 축이 잠망경 렌즈를 사용하여 서로 바뀔 수 있다는 것과 빔 치수가 하나 이상의 망원경을 사용하여 조정될 수 있다는 것을 인식할 수 있다. 이러한 변화는 본 발명의 기술사상과 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.
도 1c는 자외선 출력 빔(44)이 방출되는 창(50)을 가진 하우징(48) 내에 있는 도 1a의 주파수 3배화 펄스 고체 레이저를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 자외선 출력 빔의 짧은 축과 긴 축에 대한 예시적인 단면 치수와 예시적인 M2 값이 도면에 표시되어 있다. 예시적인 M2 값은 각각 20보다 크고 200보다 크다. 자외선 출력 빔(44)의 예시적인 단면 치수는 각각 약 5mm와 약 46mm이다. 평판 형상의 이득 요소(18)을 가진 본 발명의 레이저(10)로부터 나오는 자외선 출력 빔(44)은 단면이 직사각형으로 될 수 있거나 타원형으로 될 수 있다. 이 단면 형상은, 예를 들면, 이득 요소가 사이드 펌핑되는지 엔드 펌핑되는지에 따라 달라진다.
본 발명의 레이저(10)는 약 100Hz보다 큰 펄스 반복 주파수에서 펄스 당 약 100 밀리줄(mJ)보다 많은 펄스 에너지와 약 10ns보다 긴 반값전폭(FWHM) 펄스 지속시간을 가진 자외선 출력 펄스를 방출할 수 있다.
본 명세서에서, 본 발명의 레이저(10)의 설계는 레이저 절단 및 레이저 천공과 같은 작업을 위해 빔 품질을 최대화(M2를 최소화)하는데 노력이 경주되는 종래의 고체 레이저 설계와는 근본적으로 다른 것을 나타낸다는 점에 유의해야 한다. 이러한 작업에서는, 레이저 방사의 정확한 초점맞춤이 요구된다. 이러한 종래의 고체 레이저는 통상적으로 두 가로축에서 약 1.5 미만의 M2 값과 명목상으로 원형 단면을 가진 레이저 빔을 방출한다. 자외선 방사를 방출하는 다중모드 고체 레이저는 주어진 출력에 대해 가능한 가장 낮은 M2 값을 가지도록 설계되어 있다. 통상적으로, 이러한 레이저는 두 가로축에서 20 미만의 M2 값을 가지는 자외선 출력 빔을 발생시킨다.
본 발명의 레이저(10)를 설계하는 목적은 긴 축 M2 값이 짧은 축 M2 값보다 크게 하면서, 짧은 축에서 약 20보다 큰 값과 긴 축에서 약 200보다 큰 값에 도달하도록 M2 값을 최대화하는 것이다. 이러한 큰 빔 품질 계수는 본 발명의 레이저가 대체하려고 하는 상기한 엑시머 레이저의 특징이다. M2 값을 최대화하기 위한 핵심은 상기한 원통형 공진기 거울(14, 16)과 협력하는 평판 형상의 이득 요소(18)이다. 이득 요소(18)는, 도 1b에 도시되어 있는 것과 같이, 수평 폭 W, 수직 두께 T, 그리고 길이 L을 가지고 있다.
2차원 다이오드 레이저 어레이(20A, 20B)로부터의 기다란 빔에 의한 상기한 엔드 펌핑(end-pumping)은 수평 폭 w, 수직 높이 h, 그리고 길이 L(이득 요소의 길이)을 가진 기다란 이득 체적(gain-volume)을 제공한다. 폭(w) x 높이(h)의 크기를 가진 단면 이득 영역(gain-area)(46)은 이득 요소(18) 내의 기본 방사 빔의 단면을 한정한다. 이득 영역(46)은 공진기(12) 내에서 소프트 애퍼처(soft aperture) 역할을 한다. 폭(w)이 높이(h)보다 상당히 크며, 바람직하게는 적어도 3배 더 크다. 이러한 대표적인 치수는 본 발명의 레이저(10)의 여러 예의 계산된 성능을 설명할 때 아래에서 인용된다.
도 2a 및 도 2b는, 도 1a의 본 발명의 레이저(10)의 예에서, 수직 축에서의 공진기(12)로부터의 출력 기본 방사에 대해 계산된 빔 품질 계수 M2 대 공진기 길이를 그래프로 나타내고 있다. 공진기 길이는 공진기 거울(14)과 공진기 거울(16) 사이의 거리이다. 공진기 거울(14)과 공진기 거울(16)은 도 2a의 계산에서 편평하다. 공진기 거울(14)과 공진기 거울(16)은 도 2b의 계산에서 오목하며, 1m의 곡률 반경을 가진다. 이득 요소(18)는 공진기의 중앙에 배치되어 있다. M2 값은, 수직 축에서, 1 디옵터(D)에서 5 디옵터(D)까지의, 이득 요소의 상이한 열 렌즈에 대해서 나타내져 있다. 이 예에서는, 약 1064nm의 파장을 가진 기본 방사가 생성된다. 이득 요소(18)의 폭(W), 길이(L), 그리고 두께(T) 치수는, 각각, 50mm, 50mm, 그리고 5.0mm로 가정된다. 이득 영역(46)은 40mm의 폭(w)과 3.0mm의 높이(h)를 가진다.
도 2c는, 편평한 공진기 거울을 가지고 있는 도 2a의 공진기에서, 수평 축에서의 출력 기본 방사에 대해 계산된 빔 품질 계수 M2 대 공진기 길이를 그래프로 나타내고 있다. 이득 요소(18)의 열 렌즈는 수평 축에서 대략 0 디옵터(D)이다. 그러나, 수평 축에서 굴절력을 가지는 원통형 렌즈를 추가함으로써 공동 내 초점맞춤 또는 초점이탈(intra-cavity focusing or defocusing)이 도입될 수 있다. 이득 요소의 각각의 단부에 대칭적으로 인접하게 배치되어 있는, 0.05 디옵터(D)에서 0.25 디옵터(D)까지의 총 굴절력을 가진 상이한 쌍들의 원통형 렌즈에 대해서 M2 값이 나타내져 있다. 공진기에 양의 굴절력을 추가하면 수평 축에서 M2 값이 증가한다.
도 3은, 도 2a의 공진기에서, 수직 축에서의 출력 기본 방사에 대해 계산된 빔 품질 계수 M2 값 대 공진기 길이를 그래프로 나타내고 있다. 여기에서, 이득 요소(18)의 열 렌즈는 수직 축에서 2.75 디옵터(D)이다. M2 값이, 수직 축에서, 0.2m에서 0.6m까지의, 공진기 거울의 상이한 곡률 반경에 대해서 나타내져 있다. 도 2a는 공진기에 양의 굴절력(dioptric power)을 추가하면 수직 축에서 M2 값이 증가한다는 것을 보여준다. 마찬가지로, 도 3은 공진기에 양의 반사력(catoptric power)을 추가하면 수직 축에서 이용가능한 M2 값이 크게 증가한다는 것을 보여준다.
상기 예들은, 공진기 길이, 이득 영역, 공동 내 렌즈효과(intra-cavity lensing), 그리고 공진기 거울의 곡률에 의해서 결정되는 빔 품질 계수를 가지는 레이저발생 공진기 모드(lasing resonator-mode)가 설정되는 것을 보여준다. 열 렌즈효과(Thermal-lensing)는 수직 축에서 가장 강하고 수평 축에서는 무시해도 될 정도이다. 결과적인 M2 값은 이득 요소(18)의 평판 형상과 이득 영역(46)의 연장(elongation)으로 인해 수평 축에서보다 수직 축에서 훨씬 더 작다. 출력 기본 방사에 대해 원하는 M2 값을 달성하기 위해서 각각의 가로축에서의 굴절력 또는 반사력은 공동 내 렌즈(intra-cavity lense) 또는 만곡된 공진기 거울을 이용하여 독립적으로 변경될 수 있다. 다시, 상기 예시적인 레이저에서, 수직 축은 기본 방사의 짧은 축에 해당하고 수평 축은 기본 방사의 긴 축에 해당한다.
또한, 이득 요소(18)가 Nd3 + 첨가 YAG 결정(Nd3 + doped YAG crystal)이라고 가정한다. 이득 요소가 흡수된 펌프 방사의 펄스당 4.8 줄(J)로 에너지를 공급받으면, 평판 형상의 이득 요소의 굴절력은 짧은 축에서는 약 4.75 디옵터(D)이고 긴 축에서는 약 0 디옵터(D)이다. 이러한 조건하에서, 공진기(12)는, 짧은 축에서는 10보다 크고 긴 축에서는 50보다 큰, 출력 기본 방사에 대한 M2 값을 안정적으로 생성하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 공진기(12)가 짧은 축에서는 20보다 크고 긴 축에서는 200보다 큰 M2 값을 생성하도록 구성될 수 있을 것이다.
도 4는 예시적인 Nd3 +:YAG 공진기가 500Hz 내지 900Hz의 상이한 펄스 반복 주파수에서 작동되는 상태에서, OC 거울 반사율의 함수로서 계산된 출력 기본 방사 파워(output fundamental radiation power)의 그래프이다. 여기에서, 공진기 길이는 1m이고 공진기 거울은 편평하다. 다른 공진기 파라미터는 도 2a에 대한 것과 동일하다. 600Hz의 펄스 반복 주파수와 약 60%의 OC 거울 반사율에서, 출력 기본 방사 파워가 약 1,100W에서 피크이고, 이것은 약 1.86 줄의 펄스 에너지에 해당한다는 것을 알 수 있다. 본 명세서에서 아래에 제시된 예에서는 공진기가 600Hz의 펄스 반복 주파수에서 펌핑되고 작동한다고 가정한다. 도 5는 도 4의 예에서의 OC 거울 반사율의 함수로서 FWHM 펄스 지속시간의 그래프이다. 최적의 60% OC 거울 반사율이 약 25ns의 펄스 지속시간을 초래한다는 것을 알 수 있다.
모형 계산(model calculation)은, 고조파 변환 효율이 최적화될 때, 본 발명의 레이저(10)로부터의 출력 제3 고조파 방사 파워가 공진기(12)로부터의 출력 기본 방사 파워의 약 32%일 것으로 예상할 수 있다는 것을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 주파수 3배화 고체 레이저(frequency-tripled solid-state laser)는 355nm의 파장에서 약 350W의 자외선 출력을 방출할 것으로 예상할 수 있다. 본 발명의 근적외선 공진기의 추가적인 개선을 통해 더 높은 출력이 달성될 수 있다. 이 자외선 출력에서, 6개의 엑시머 레이저에 의해서 발생된 출력과 동일한 출력을 제공하기 위해서 약 12개의 본 발명의 레이저의 결합 출력이 요구될 것이다.
도 6은 유형-1 비임계 위상 정합 LBO 결정(non-critically phase-matched LBO crystal)의 전파 거리의 함수로서 계산된 제2 고조파 생성 효율을 그래프로 나타내고 있다. 변환 효율은 백분율로 표시된다. 기본 방사의 빔 웨이스트(beam waist)는 LBO 결정의 중앙에 위치되어 있다. 상기 빔 웨이스트의 단면 치수는 짧은 축에서 1mm이고 긴 축에서 10mm인 것으로 가정한다. 입사 펄스 에너지는 0.375J인 것으로 가정하고 펄스 지속시간은 25ns인 것으로 가정한다. TNCPM은 평면파에 대한 비임계 위상 정합 온도(non-critical phase-matching Temperature)이고, 통상적으로 약 150℃ 내지 약 160℃의 범위에 있는 것으로 계산된다. 정확한 온도는 계산에 사용되는 셀마이어 계수(Sellmeier coefficient)에 따라 달라진다. 2개의 결정 온도, TNCPM + 0.4℃ 및 TNCPM + 0.9℃에 대해 계산결과가 표시되어 있다. 상기 예에서 초점이 맞추어진 빔에 대한 최적의 결정 온도는 약 TNCPM + 0.9℃이다. 이와같이 TNCPM에서 약간 벗어나는 것이 빔 웨이스트의 양 측에서 기본 방사의 파면 곡률(wave-front curvature)을 부분적으로 보상한다.
공진기(12)로부터의 출력 기본 방사의 이미 높은 M2 값은 비선형 결정(32)에 의해 상당히 증가될 수 있는 것으로 확정되었다. 제2 고조파 방사는 비선형 결정에서 제2 고조파 생성에 의해 출력 기본 방사로부터 발생된다. 도 6은 또한 결정 내에서의 전파 거리의 함수로서 긴 축에서 계산된 제2 고조파 방사 빔 품질 계수 M2를 나타낸다. 다중모드 기본 방사의 입사 빔은 파장이 1064nm, 짧은 축에서 M2 값이 10, 그리고 긴 축에서 M2 값이 50이라고 가정한다. 계산결과는 긴 축에서의 M2 값이, 기본 방사의 입사 빔에 대한 50으로부터 최적의 결정 온도에서 LBO 결정에서 나오는 제2 고조파 방사 빔에 대한 108까지, 2배보다 더 크다는 것을 보여준다. LBO 결정 내에서 수 밀리미터의 짧은 전파 거리에 대해서도, M2 값은 제2 고조파 방사 빔에 대해 약 67로 증가한다.
도 7은 도 6의 비임계 위상 정합 LBO 결정에서의 전파 거리의 함수로서 변환되지 않은 기본 방사에 대한 긴 축에서 계산된 빔 품질 계수 M2의 그래프이다. 도 7은 또한 LBO 결정 내에서의 전파 거리의 함수로서 계산된 변환되지 않은 기본 방사 파워를 나타낸다. 이 변환되지 않은 기본 방사 파워는 LBO 결정으로의 입사 기본 방사 파워의 백분율로 표시된다. LBO 결정에서 나가는 변환되지 않은 기본 방사는 비선형 결정(40)으로 향하는 잔여 기본 방사가 된다. 도 6과 동일한 결정 온도에 대해 계산결과가 표시되어 있다. 긴 축에서 변환되지 않은 기본 방사의 M2 값도 최적의 결정 온도에서 증가하며, 빔이 비선형 결정(32)을 통하여 전파할 때 최대 약 106까지 2배보다 크게 증가한다. 따라서, 비선형 결정(40)은, 각각 긴 축에서 100보다 큰 M2 값을 가지는, 잔여 기본 방사 빔과 제2 고조파 방사 빔을 합 주파수 믹싱함으로써 제3 고조파 방사를 발생시킨다.
도 6 및 도 7은 레이저 어닐링에 유익한 잔여 기본 빔과 생성된 제2 고조파 빔의 빔 품질 계수 M2의 증가를 나타낸다. 이러한 증가는 기본 방사에서 제2 고조파 방사로의 변환 및 제2 고조파 방사에서 기본 방사로의 역변환과 결부된 전파하는 빔의 파면 곡률의 변화로 인해 생긴다. 일반적으로, 주파수 2배화(frequency doubling)는 기본 빔과 제2 고조파 빔이 동일한 파면 곡률을 가질 때 가장 효율적이다. 일정한 세기 분포를 가진 다중모드 빔에 대해서, 파면 곡률의 정확한 일치는 제2 고조파 빔의 M2 값이 기본 빔의 M2 값의 2배일 때 발생한다. 빔이 비선형 결정을 통하여 전파할 때 M2 값의 변화는 다양한 가로 모드(transverse mode)들 간의 연속적인 변환 및 역변환에 의해 발생된다.
도 8a 및 도 8b는 각각 길이가 30mm인 2개의 별개의 LBO 결정의 형태를 가지는 비선형 결정(40)을 통한 전파 거리의 함수로서 제3 고조파 방사에 대해 계산된 빔 품질 계수 M2를 그래프로 나타내고 있다. 상기 2개의 LBO 결정은 워크 오프 보상(walk-off compensation)을 위해 구성되고 배열되어 있다. 도 8a는 각각의 결정의 온도가 90℃이고 도 8b는 각각의 결정의 온도가 100℃이다. 도 8a 및 도 8b는 또한 2개의 LBO 결정 내에서의 전파 거리의 함수로서 계산된 제3 고조파 변환 효율을 나타낸다. 다시 말하지만, 모든 빔의 파면 곡률이 일치할 때 기본 방사를 제3 고조파 방사로 전부 변환하는 것이 가장 효율적이다. 정확한 일치는 제3 고조파 빔의 M2 값이 기본 빔의 M2 값의 3배이고 제2 고조파 빔의 M2 값이 기본 빔의 M2 값의 2배일 때 발생한다.
제1 LBO 결정으로 향하는 잔여 기본 방사의 입사 빔은 M2 값이 짧은 축에서 10.5이고 긴 축에서 106인 것으로 가정한다. 제1 LBO 결정으로 향하는 제2 고조파 방사의 입사 빔은 M2 값이 짧은 축에서 17이고 긴 축에서 92이다. 각각의 LBO 결정의 중앙에서 빔 웨이스트의 단면 치수는 짧은 축에서 0.5mm이고 긴 축에서 10mm인 것으로 가정한다. 입사 펄스 에너지는 잔여 기본 방사가 0.206J이고 제2 고조파 방사가 0.169J인 것으로 가정한다. 다시 말해서, 기본 방사의 펄스 에너지 대 제2 고조파 방사의 펄스 에너지의 비율은 55% 내지 45%이다. 펄스 지속시간은 여전히 25ns로 가정한다.
출력 제3 고조파 방사의 M2 값은 90℃에서 두 LBO 결정을 통하여 전파된 후 짧은 축에서 22으로 그리고 긴 축에서 176으로 더 증가하였다는 것이 확인되었다. 다시 말해서, 긴 축에서의 M2 값은 입사 제2 고조파 방사 및 잔여 기본 방사의 M2 값의 1.5배보다 더 크다. 전체 변환 효율은 30%이다. 모형 계산의 결과를 요약하면, M2 값이 10과 50인 공진기로부터의 출력 기본 방사가 M2 값이 각각 약 22와 176인 출력 제3 고조파 방사로 변환된다. 펄스 당 0.375 줄(J)의 기본 방사가 펄스 당 약 0.113 줄(J)의 제3 고조파 방사로 변환된다.
모형 계산은, 비선형 결정(32)에서 제2 고조파 생성 후, 짧은 축에서 약 15 내지 25이고 긴 축에서 약 150 내지 200의 기본 방사 M2 값이 짧은 축에서 약 30 내지 50으로 그리고 긴 축에서 약 300 내지 400으로 증가할 수 있다는 것을 나타낸다. 다시 말해서, 빔 품질 계수 값이 각각의 축에서 약 2배가 된다. 비선형 결정(40)에서 합 주파수 믹싱 후에, 제3 고조파 방사 M2 값은 짧은 축에서 약 45 내지 65로 그리고 긴 축에서 약 450 내지 600으로 더 증가할 수 있다. 궁극적으로, 합 주파수 믹싱 후 긴 축에서의 M2 값은 비선형 결정의 각도 수용 제한(angular-acceptance limitation)에 의해 제한될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 출력 제3 고조파 빔의 M2 값은 짧은 축에서 약 60보다 크고 긴 축에서 약 400보다 클 수 있다. 이것은 위에서 설명한 레이저 어닐링에 현재 사용되는 엑시머 레이저에 의해 생성 된 자외선 빔에 대해 짧은 축에서 80이고 긴 축에서 500인 M2 값과 비교된다.
도 8a 및 도 8b는 제3 고조파 방사를 생성하기 위해 연속으로 배열된 복수의 비선형 결정이 원하는 빔 품질 계수를 달성하기에 충분한 전파 거리를 제공할 수 있다는 것을 보여준다. 도 9a는 본 발명에 따른 외부 주파수 3배화 반복 펄스 고체 레이저의 다른 바람직한 실시례(80)를 개략적으로 나타내고 있다. 레이저(80)는 도 1의 레이저(10)와 유사하지만, 합 주파수 믹싱에 의해 제3 고조파 방사를 생성하기 위해 2개의 비선형 결정(40, 82)을 가지고 있다. 비선형 결정(40, 82)은 동일한 길이를 가질 수 있거나 상이한 길이를 가질 수 있고, 이것은 기본 방사의 제3 고조파 방사로의 전체 변환을 최적화하고 원하는 빔 품질 계수를 제공하기 위해서 선택된다. 파장판(34)의 왼쪽에 있는 실시례(80)의 광학 요소는 도 1의 실시례의 것과 동일하고, 도시의 편의를 위해서 생략되어 있다.
출력 기본 방사의 일부는 비선형 결정(32)에 의해서 제2 고조파 방사 빔으로 변환된다. 제2 고조파 방사 및 잔여 기본 방사는 렌즈(92)에 의해 비선형 결정(40)으로 집속되어 합 주파수 믹싱에 의해 하나의 제3 고조파 방사 빔을 생성한다. 이 제3 고조파 빔은 거울(84)에 의해서 잔여 기본 빔 및 잔여 제2 고조파 빔으로부터 분리되고 거울(86)에 의해서 2분의 1 파장판(88)을 통하여 큐브 프리즘 편광기(cube-prism polarizer)(90)로 보내진다. 거울(84)은 기본 방사와 제2 고조파 방사에 대해 투과성이다. 거울(84) 및 거울(86)은 제3 고조파 방사를 반사한다.
거울(84)을 통하여 투과된 함께 전파하는 잔여 기본 빔과 잔여 제2 고조파 빔은 비선형 결정(82)으로 집속되어 다른 하나의 제3 고조파 방사 빔을 생성한다. 이 제3 고조파 빔은 다른 거울(84)에 의해서 잔여 기본 빔 및 잔여 제2 고조파 빔으로부터 분리되어 편광기(90)로 보내진다. 편광기(90)로 입사하는 2개의 제3 고조파 방사 빔은 서로 직교하는 선형 편광을 가지며 결합되어 자외선 방사(44)의 출력 빔을 형성한다. 편광기(90)는 하나의 편광에 대해서는 투과성이고 직교하는 편광에 대해서는 반사성인 편광 선택면(polarization selective surface)을 가지고 있다. 따라서 자외선 출력 빔(44)은 양 선형 편광을 포함하고 있다. 도시된 것과 같이, 다양한 렌즈가 빔을 비선형 결정으로 집속시키고 빔을 평행하게 한다. 예를 들면, 렌즈(92)가 빔을 비선형 결정으로 집속시키고 빔을 평행하게 한다.
도 9b는 본 발명에 따른 외부 주파수 3배화 반복 펄스 고체 레이저의 또 다른 바람직한 실시례(100)를 개략적으로 나타내고 있다. 레이저(100)는 레이저(80)와 유사하지만, 렌즈 대신 주로 거울을 사용하여 빔을 집속시키고 평행하게 한다. 예를 들면, 레이저(100)의 거울(102)이 레이저(80)의 렌즈(92)를 대신한다. 다시, 2개의 제3 고조파 빔이 별개의 비선형 결정에서 생성된다. 레이저(100)에서는, 이들 제3 고조파 빔이 제3 고조파 방사에 대해 반사성인 거울(104)에 의해 공간적으로 결합되어 자외선 출력 빔(44)을 형성한다. 레이저(100)의 한 가지 장점은 자외선 출력 빔(44)이 선형 편광되는 것이다.
위에서 설명한 본 발명의 원리를 설명하기 위해서, 도 9a의 실시례(80)와 유사한 2개의 외부 주파수 3배화 반복 펄스 고체 레이저가 모델링되었다. 각각의 레이저는 1064nm에서 짧은 축 x 긴 축에서 25 x 100의 빔 품질 계수와 2mm x 40mm의 치수를 가진 출력 기본 방사 빔을 발생시키는 공진기를 가지고 있다. LBO로 이루어진 한 개의 비선형 결정이 유형-I 주파수 2배화에 의해 532nm에서 제2 고조파 방사 빔을 생성한다. LBO로 이루어진 2개의 연속으로 배열된 비선형 결정이 유형-I 합 주파수 믹싱에 의해 2개의 제3 고조파 방사 빔을 생성한다. 이들 2개의 제3 고조파 방사 빔은, 도 9a에 도시되어 있는 것과 같이, 평행하게 되고 편광 결합되어 편광되지 않은 자외선 방사의 출력 빔을 형성한다. 각각의 레이저의 편광 결합된 출력 빔은 짧은 축 x 긴 축에서 70 x 225의 빔 품질 계수와 5mm x 40mm의 치수를 가진다.
도 10은 2개의 외부 주파수 3배화 반복 펄스 고체 레이저의 출력 빔을 공간적으로 결합하기 위한 본 발명에 따른 바람직한 실시례(120)를 개략적으로 나타내고 있다. 각각의 레이저는 하우징(48)과 출력 빔(44)이 방출되는 창(50)을 가지고 있다. 출력 빔들 중의 하나의 출력 빔은 거울(122)에 의해 2개의 출력 빔을 하나의 비편광된 자외선 방사의 결합 빔(126)으로 공간적으로 결합하도록 정확하게 배치되어 있는 거울(124)로 보내진다. 결합 빔(126)은 짧은 축 x 긴 축에서 약 70 x 450의 빔 품질 계수와 약 5mm x 80mm의 치수를 가진다. 결합 빔(126)은 또한 각각의 출력 빔(44)의 파워의 두 배의 파워를 가진다.
도 11은 본 발명에 따른 내부 주파수 3배화 반복 펄스 고체 레이저(internally-frequency-tripled repetitively-pulsed solid-state laser)의 바람직한 실시례(110)를 개략적으로 나타내고 있다. 레이저(110)는 레이저(10)와 유사하며, HR 거울(14)과 다른 고반사 공진기 거울(112) 사이에 형성된 공진기(12)를 가지고 있고, 상기 고반사 공진기 거울(112)은 기본 방사와 제2 고조파 방사 모두에 대해 고반사성이다. 레이저(110)에는, 비선형 결정(32)과 비선형 결정(40)이 공진기(12) 내에 배치되어 있다. 기본 방사 빔은 공진기(12)에서 순환한다. 출력 결합은 기본 방사의 출력 결합 거울을 통한 부분적인 투과에 의해 이루어지는 것이 아니라, 기본 방사의 고조파 방사로의 부분적인 변환에 의해 이루어진다.
도면에서 왼쪽에서 오른쪽으로 전파하는 동안, 공동 내 기본 방사 빔은 2분의 1 파장판(34), 비선형 결정(40), 비선형 결정(32)을 통과하고, HR 거울(112)에 의해 반사된다. 2분의 1 파장판(34)이 기본 방사의 편광 방향을 회전시킨 다음, 비선형 결정(32)이 부분적으로 기본 방사를 제2 고조파 방사 빔으로 변환시키며, 제2 고조파 방사 빔도 HR 거울(112)에 의해서 반사된다. 반사된 기본 방사와 제2 고조파 방사는 오른쪽에서 왼쪽으로 비선형 결정(32), 선택적인 파장판(38), 비선형 결정(40)을 통하여, 출력 거울(114)로 함께 전파한다. 반사된 기본 방사는 비선형 결정(32)에 의해서 제2 고조파 방사로 추가적으로 변환되어, 제2 고조파 방사 빔의 출력을 증가시킨다. 선택적인 파장판(38)은 제2 고조파 방사의 편광만 회전시킨다. 비선형 결정(40)은 부분적으로 기본 방사 및 제2 고조파 방사를 제3 고조파 방사 빔으로 변환시킨다. 출력 거울(114)은 기본 방사에 대해 고도로 투광성이며 제2 고조파 및 제3 고조파 방사에 대해서는 반사성이다. 평행한 자외선 출력 빔(44)은 출력 거울(114)에 의해 공진기(12) 밖으로 보내진다. 출력 제3 고조파 방사의 편광은 화살표 P3H로 표시되어 있다. 도시된 것과 같이 3개의 렌즈가 빔을 비선형 결정으로 집속시키고 빔을 평행하게 한다.
도 12a, 도 12b, 그리고 도 12c는 도 1a의 주파수 3배화 고체 레이저 6개의 출력을 결합하고 균질화하는 라인 프로젝터의 바람직한 실시례(60)를 개략적으로 나타내고 있다. 라인 프로젝터(60)는 결합된 출력을 기판(64) 상에 지지되는 어닐링될 실리콘 층(62)에 투사되는 라인 빔으로 형성한다. 투사된 라인 빔에서 편광 방향의 분포는 선택가능하다.
6개의 레이저는 레이저(10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F)로 표시되어 있다. 이 6개의 레이저는 명목상으로 동일한 출력 특성을 가지는 것으로 가정한다. 상기 레이저의 각각에 의해서 방출된 자외선 방사는 선형 편광, 여기에서는, S-편광된 것이. 각각의 레이저는 방사 빔을 6개의 대응하는 편광 회전장치(66) 중의 하나를 통과하도록 향하게 한다. 도시된 예에서, 상기 편광 회전장치는 레이저(10A, 10F)로부터의 방사가 회전되지 않은 편광이고 S-편광된 상태를 유지하도록 조정된다. 레이저(10C, 10D)로부터의 방사는 90°회전된 편광이고 P-편광된 상태로 된다. 레이저(10B, 10E)로부터의 방사는 P-편광과 S-편광 사이의 중간 방향(I-편광)으로, 0°와 90°사이의 각도로 회전된 편광이다. 예를 들면, 45°각도로 회전된다.
다양한 편광 방향을 가진 방사 빔은 각각 2개의 원통형 렌즈 어레이(68A, 68B)를 포함하고 있는 6개의 긴 축 빔 균질기(beam-homogenizer) 중의 대응하는 것을 가로지른다. 모든 빔 균질기로부터의 출력은 구면 렌즈(70)에 의해 모아진다. 구면 렌즈(70)는 원통형 렌즈(72), 구면 렌즈(74) 및 원통형 렌즈(76)와 함께 레이저(10A-F)의 출력을 기판(64) 상의 라인 빔으로 결합한다. 구면 렌즈(70, 74)가 라인 빔의 길이(LL)를 결정한다. 상기 렌즈(70, 72, 74, 76)는 도 12c에 표시되어 있는 라인 빔의 폭(LW)을 한정한다. 각각의 레이저는 균질화된 라인 빔이 비추는 실리콘 층(62)의 전체 길이에 방사광선을 방출한다. 도 12a의 라인 프로젝터는 복수의 레이저(10), 여기서는 6개의 레이저(10)의 빔을 결합하고 균질화할 수 있으며, 약 1.0mm보다 작은 폭(LW)을 가지는 라인 빔을 형성할 수 있다.
도 12b는 라인 빔의 길이 상의 임의의 지점에서 방사광선의 편광이 어떻게 경사져 분포되어 있는 지를 개략적으로 나타내고 있다. 도시된 예에서는, 편광 방향이 최고 입사각(highest angles-of-incidence)에서의 S-편광에서, I 편광을 거쳐서, 거의 수직 입사각에서의 P-편광으로 변형된다.
본 발명의 원리를 이해하기 위한 라인 프로젝터(60)의 충분한 세부 사항만 본 명세서에 제공되어 있는 점을 유의해야 한다. 복수의 자외선 엑시머 레이저의 출력을 편광, 결합, 균질화, 그리고 투사하는 특수 장치의 상세한 설명이 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허출원 공개공보 제2016/0259174호에 제공되어 있고, 상기 공보의 전체 개시내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함되어 있다. 당업자는 본 발명의 기술사상과 범위로부터 벗어나지 않고 다른 빔 결합 및 투사 장치를 이용할 수 있다.
요약하면, 위에서 설명한 것은 엑시머 레이저의 평균 파워, 펄스 에너지 및 빔 파라미터에 필적하는 평균 파워, 펄스 에너지 및 빔 파라미터를 가진 자외선 출력 빔을 발생시키는 본 발명의 주파수 3배와 고체 레이저이다. 주파수 3배화는 내부적인 방식 또는 외부적인 방식일 수 있다. 본 발명의 레이저의 공진기에 대한 설계 방식은 통상적인 종래 기술의 고체 레이저의 설계 방식과 근본적으로 다르므로, 기다란 단면과 하나의 가로축에서의 10과 직교하는 가로축에서의 50보다 상당히 큰 M2 값을 가진 근적외선 빔을 발생시킬 수 있다. 이 설계 방식은 근적외선 빔의 M2 값은 주파수 3배화 과정(frequency-tripling process)에서 하나의 가로축에서 60이고 직교하는 가로축에서 400인 큰 값으로 증가된다. 본 발명의 여러 레이저의 자외선 출력 빔은 종래 기술의 자외선 엑시머 레이저의 출력 빔을 결합하는 데 사용되는 방식으로 결합될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시례에 관하여 위에 설명되어 있다. 하지만, 본 발명은 본 명세서에 기술되고 도시된 실시례로 제한되는 것은 아니다. 오히려, 본 발명은 본 명세서에 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (27)

  1. 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치로서,
    전자기 스펙트럼의 자외선 영역의 파장을 가지는 출력 빔을 각각 방출하는 복수의 주파수 변환 반복 펄스 고체 레이저; 그리고
    상기 출력 빔을 수용하여, 상기 출력 빔을 라인 빔으로 형성하고, 상기 라인 빔을 상기 층에 투사하도록 배열된 라인 프로젝터;
    를 포함하고,
    각각의 상기 출력 빔은 서로 직교하는 제1 가로축과 제2 가로축에 의해 특징지어진 단면, 약 50보다 큰 제1 가로축에서의 빔 품질 계수 M2, 약 20보다 큰 제2 가로축에서의 빔 품질 계수 M2, 약 100 밀리줄보다 큰 펄스 에너지를 가진 레이저 펄스, 그리고 약 100 헤르츠보다 큰 펄스 반복 주파수를 가지고,
    상기 라인 빔은 상기 층 상에서 길이와 폭을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서, 제1 가로축에서의 빔 품질 계수 M2가 약 200보다 큰 것을 특징으로 하는 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서, 각각의 상기 출력 빔이 상기 라인 빔의 전체 길이에 기여하는 것을 특징으로 하는 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 주파수 변환 반복 펄스 고체 레이저의 각각이, 제1 가로축과 제2 가로축에 각각 제1 치수와 제2 치수를 가진 이득 요소에 이득 체적을 제공하도록 배열된 하나 이상의 다이오드 레이저 어레이에 의해 광학적으로 펌핑되는 이득 요소를 가진 레이저 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치.
  5. 제4항에 있어서, 제1 가로축 치수가 제2 가로축 치수의 3배보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 레이저 공진기가 제2 가로축에서만 광 출력을 가지는 제1 공진기 거울과 제2 공진기 거울 사이에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 레이저 공진기가 상기 이득 요소의 특징인 전자기 스펙트럼의 근적외선 영역의 파장을 가지는 기본 방사 빔을 발생시키고, 상기 레이저 공진기가 상기 기본 방사 빔을 제1 광학적 비선형 결정과 제2 광학적 비선형 결정에 번호 순서대로 전달하고, 제1 광학적 비선형 결정은 상기 기본 방사 빔으로부터 제2 고조파 방사 빔을 생성하도록 배열되어 있고, 제2 광학적 비선형 결정은 제2 고조파 방사 빔의 생성 후에 제2 고조파 방사 빔을 잔여 기본 방사 빔과 합 주파수 믹싱하는 것에 의해 출력 빔을 생성하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치.
  8. 제7항에 있어서, 제1 가로축과 제2 가로축에서의 제2 고조파 방사 빔의 M2 값이 기본 방사 빔의 대응하는 M2 값보다 크고, 제1 가로축과 제2 가로축에서의 출력 빔의 M2 값이 제2 고조파 방사 빔의 대응하는 값보다 큰 것을 특징으로 하는 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치.
  9. 제8항에 있어서, 제1 가로축에서의 제2 고조파 방사 빔의 M2 값이 제1 가로축에서의 기본 방사 빔의 M2 값의 적어도 2배인 것을 특징으로 하는 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치.
  10. 제8항에 있어서, 제1 가로축에서의 출력 빔의 M2 값이 제1 가로축에서의 제2 고조파 방사의 M2 값의 1.5배보다 큰 것을 특징으로 하는 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치.
  11. 제8항에 있어서, 제1 가로축에서의 출력 빔의 M2 값이 제1 가로축에서의 잔여 기본 방사의 M2 값의 1.5배보다 큰 것을 특징으로 하는 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치.
  12. 제7항에 있어서, 상기 출력 빔이 340 나노미터 내지 360 나노미터 범위의 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 레이저 펄스가 약 10 나노초보다 긴 반값전폭 펄스 지속시간을 가지는 것을 특징으로 하는 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 출력 빔이 선형 편광되는 것을 특징으로 하는 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 층이 실리콘으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 상의 층을 어닐링하는 광학 장치.
  16. 고체 레이저 장치로서,
    2개의 공진기 거울 사이에 형성된 공진기에 배치된 이득 요소;
    제1 비선형 결정; 그리고
    제2 비선형 결정;
    을 포함하고,
    상기 이득 요소는 평판의 형태이며 펌프 방사에 의해 활성화되고, 활성화된 공진기는 기본 방사의 반복 펄스 빔을 발생시키고, 상기 기본 방사의 반복 펄스 빔은 서로 직교하는 제1 가로축과 제2 가로축, 50보다 큰 제1 가로축에서의 빔 품질 계수 M2, 그리고 10보다 큰 제2 가로축에서의 빔 품질 계수 M2 를 가지고 있고,
    상기 기본 방사의 반복 펄스 빔은 제1 비선형 결정으로 보내져서, 상기 기본 방사의 반복 펄스 빔의 일부는 제2 고조파 생성에 의해 제2 고조파 방사 빔으로 변환되고, 기본 방사의 잔여 빔을 남기며,
    제2 고조파 방사 빔과 기본 방사의 잔여 빔은 모두 제2 비선형 결정으로 보내져서, 합 주파수 믹싱에 의해 제3 고조파 방사 빔을 생성하고, 함께 전파하는 잔여 기본 방사 빔과 잔여 제2 고조파 방사 빔을 남기며, 제3 고조파 방사 빔은 50보다 큰 제1 가로축에서의 빔 품질 계수 M2, 20보다 큰 제2 가로축에서의 빔 품질 계수 M2, 그리고 약 100 밀리줄보다 큰 펄스 에너지를 가지는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  17. 제16항에 있어서, 제3 고조파 방사 빔의 빔 품질 계수 M2가 제1 가로축에서 약 200보다 큰 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 이득 요소가 네오디뮴 첨가 이트륨 알루미늄 가넷 (Nd3+ doped YAG) 결정인 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  19. 제16항에 있어서, 제1 비선형 결정이 LBO로 되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  20. 제16항에 있어서, 제1 비선형 결정이 기본 방사 빔의 유형-1 주파수 2배화를 위해 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  21. 제16항에 있어서, 제2 비선형 결정이 LBO로 되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  22. 제16항에 있어서, 제2 비선형 결정이 제2 고조파 방사 빔과 잔여 기본 방사 빔의 유형-1 합 주파수 믹싱을 위해 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  23. 제16항에 있어서, 제3 비선형 결정을 더 포함하고, 함께 전파하는 잔여 기본 방사 빔과 잔여 제2 고조파 방사 빔이 제3 비선형 결정으로 보내져서, 합 주파수 믹싱에 의해 다른 제3 고조파 방사 빔을 생성하는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  24. 제23항에 있어서, 2개의 제3 고조파 방사 빔이 편광 결합되는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  25. 제23항에 있어서, 2개의 제3 고조파 방사 빔이 공간적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  26. 제16항에 있어서, Q 스위치 작동을 위해 협력적으로 배열된 포켈스 셀과 4분의 1 파장판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
  27. 고체 레이저 장치로서,
    2개의 공진기 거울 사이에 형성된 공진기에 배치된 이득 요소;
    제1 비선형 결정; 그리고
    제2 비선형 결정;
    을 포함하고,
    상기 이득 요소는 직교하는 제2 가로축에서보다 제1 가로축에서 더 긴 평판의 형태이고, 상기 이득 요소는 펌프 방사에 의해 활성화되고, 활성화된 공진기는 기본 방사의 반복 펄스 빔을 발생시키고, 상기 기본 방사의 반복 펄스 빔은 50보다 큰 제1 가로축에서의 빔 품질 계수 M2와 10보다 큰 제2 가로축에서의 빔 품질 계수 M2를 가지고 있고,
    상기 기본 방사의 반복 펄스 빔은 제1 비선형 결정으로 보내져서, 상기 기본 방사의 반복 펄스 빔의 일부는 제2 고조파 생성에 의해 제2 고조파 방사 빔으로 변환되고, 기본 방사의 잔여 빔을 남기며,
    제2 고조파 방사 빔과 기본 방사의 잔여 빔은 모두 제2 비선형 결정으로 보내져서, 합 주파수 믹싱에 의해 제3 고조파 방사 빔을 생성하고, 함께 전파하는 잔여 기본 방사 빔과 잔여 제2 고조파 방사 빔을 남기며,
    제1 가로축과 제2 가로축에서의 제2 고조파 방사 빔의 빔 품질 계수 M2는 기본 방사 빔의 대응하는 빔 품질 계수 M2보다 크고, 제1 가로축과 제2 가로축에서의 제3 고조파 방사 빔의 빔 품질 계수 M2는 제2 고조파 방사 빔의 대응하는 빔 품질 계수 M2보다 큰 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.
KR1020217020037A 2019-01-22 2020-01-14 레이저 어닐링을 위한 다이오드 펌핑 고체 레이저 장치 KR20210114400A (ko)

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