KR20230053688A - 빔 변환체 - Google Patents

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KR20230053688A
KR20230053688A KR1020237009914A KR20237009914A KR20230053688A KR 20230053688 A KR20230053688 A KR 20230053688A KR 1020237009914 A KR1020237009914 A KR 1020237009914A KR 20237009914 A KR20237009914 A KR 20237009914A KR 20230053688 A KR20230053688 A KR 20230053688A
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cooling body
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토마스 젤러
토르스텐 벡
안드레아스 헤임스
마리오 슈워츠
한스 게오르크 슐러
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트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하
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Abstract

특히 물체의 라인 조명을 위한 레이저 시스템에서 사용하기 위한, 입력 레이저 빔을 감소된 공간적 및/또는 시간적 코히어런스를 갖는 변환된 빔으로 변환하기 위한 빔 변환체가 제공되고, 이 빔 변환체는 투명한 판형 광학 요소(14) 형태이고, 서로 실질적으로 평행하게 연장되는 전면 및 후면을 포함하고, 입구 표면(16) 및 출구 표면을 포함하고, 빔 편향을 위한 복수의 반사 표면을 포함하고, 여기서 적어도 전면 또는 후면 상에 냉각 장치(18, 24)가 제공된다.

Description

빔 변환체
본 발명은 서로 기본적으로 평행하게 연장되는 전면 및 후면을 갖고, 입구 표면을 갖고, 출구 표면을 갖고, 빔 편향을 위한 복수의 반사 표면을 갖는 투명한 판형 광학 요소 형태의, 특히 물체의 라인 조명을 위한 레이저 시스템에 사용하기 위한, 입력 레이저 빔을 감소된 공간적 및/또는 시간적 코히어런스를 갖는 변환된 빔으로 변환하기 위한 빔 변환체에 관한 것이다.
이러한 빔 변환체는 WO 2018/019374 A1로부터 알려져 있다. 여기에서는 물체의 라인 조명을 위해 작업 표면에 레이저 라인을 제공하기 위한 레이저 시스템이 설명된다.
이러한 레이저 시스템의 예시적인 적용 분야에는, 예를 들어 TFT 디스플레이에서 유리 기판 상에 증착된 실리콘 산화물 층의 재결정화, 예를 들어 태양 전지의 레이저 지원 도핑, 및 마이크로 전자 장치의 제조에서의 레이저 리프트 오프 공정이 포함된다.
이러한 시스템에서, 레이저 라인은 상당한 길이에 걸쳐 제1 방향으로 연장되고, 제2 방향으로는 단지 짧은 거리에 걸쳐서만 연장된다. 레이저 시스템은 확장 방향을 따라 확장되는 세장형 입력 레이저 빔에 기초가 되는 레이저 빔을 제공하는 레이저 소스, 및 세장형 레이저 빔을 균질화하여 레이저 라인을 형성하는 균질화 및 포커싱 유닛을 포함한다. 여기에서, 입력 레이저 빔을 물체의 라인 조명을 위한 변환된 빔으로 변환하기 위한 빔 포맷터가 설명된다. 빔 변환체는 서로 실질적으로 평행하게 연장되는 전면 및 후면을 갖는 투명한 모놀리식 판형 광학 요소를 포함한다. 전면에는 레이저 빔이 입사하기 위한 입구 표면이 제공된다. 후면에는 변환된 빔의 출사를 위한 출구 표면이 제공된다. 광학 요소는 빔 편향을 위한 복수의 반사 표면을 포함한다.
이러한 빔 변환체는 원하는 변환을 수행하는 데 확실히 적합하다. 그러나, 실제로는 이미징 성능에 개선이 필요함을 보여주었다. 라인 폭 및 원하는 (일반적으로 사다리꼴) 빔 프로파일은 모든 조건 하에서 충분히 정확하게 유지되지 않는다.
이러한 배경에 대해, 본 발명의 목적은 개선된 이미징 성능이 달성될 수 있는 개선된 빔 변환체를 생성하는 것이다.
이러한 목적은 본 발명에 따르면 서두에 언급된 유형에 따른 빔 변환체에서, 적어도 전면 또는 후면에 냉각 장치가 제공됨으로써 달성된다.
작동 시에 광학 요소 자체의 각각의 경계층 및 유리 본체에서 레이저 방사선이 흡수된다. 이로 인해 광학 요소가 균일하지 않게 가열된다. 유리의 열전도가 좋지 않기 때문에, 유리 본체의 열전도를 통한 온도 균등화는 매우 제한적으로만 발생한다. 이로 인해 이미징 동작이 균일하지 않게 된다. 특히, 라인 폭 및 원하는 빔 프로파일은 모든 조건 하에서 충분히 정확하게 유지되지는 않는다.
본 발명에 따라 적어도 전면 또는 후면, 바람직하게는 전면 및 후면 모두에서 냉각 장치를 사용함으로써, 광학 요소 내의 온도 분포는 대체로 균질화될 수 있다. 이것은 이미징 동작을 크게 향상시킨다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 냉각 장치는 적어도 광학 요소의 전면 또는 후면 상에 냉각 본체를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 냉각 본체는 적어도 50 Wm-1K-1의 열전도율을 갖는 양호한 열전도성 재료, 바람직하게는 구리 또는 알루미늄으로 구성된다.
이는 양호한 방열 또는 균일한 온도 분포를 가능하게 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광학 요소의 전면 및/또는 후면과 냉각 본체의 표면 사이에는, 냉각 본체를 구성하는 재료보다 더 연성인 열전도성 재료로 이루어진 중간층이 배열된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 중간층은 인듐으로 구성된다.
이는 광학 요소를 구성하는 유리 본체와 냉각 본체의 열팽창 계수의 차이에 의해, 반사되는 광학 요소의 표면의 손상이 방지될 수 있다는 장점을 갖는다.
인듐은 구리보다 낮은 양호한 열전도율을 갖지만, 그러나 녹는점이 낮기 때문에 인듐은 상온 또는 약간 높은 온도에서도 항복 응력이 매우 낮고 매우 연성이다. 따라서, 인듐으로 구성된 중간층은 한편으로는 광학 요소의 밑에 있는 반사층을 보호하고, 다른 한편으로는 인접한 냉각 본체로의 양호한 열 전달을 가능하게 한다. 전반적으로, 바람직하게는 인듐으로 구성된 연성인 중간층은 유리 본체의 반사 코팅에 대한 손상을 방지하는 동시에, 냉각 본체와의 열 접촉을 향상시킨다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 중간층은 0.02 내지 1 mm의 두께, 바람직하게는 약 0.1 mm의 두께를 갖는다.
이러한 두께를 사용하면, 광학 요소와 인접 냉각 본체 사이의 최적의 열 전달과, 구리에 비해 인듐의 열 전도율이 낮음으로 인한 적은 열 손실 사이의 양호한 타협이 제공되고, 동시에 광학 요소의 반사 코팅을 충분하게 보호할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 냉각 본체는 냉각액을 공급 및 제거하기 위한 연결부를 포함한다.
이것은 특히 효과적인 냉각을 보장한다.
대안적인 실시예에 따르면, 냉각 본체는 수동 냉각을 위한 냉각 리브를 포함한다. 예를 들어 전자 회로의 구성요소 냉각에서 일반적으로 알려진 바와 같이, 이들은 예를 들어 비스듬히 외부로 돌출될 수 있다. 그러나, 추가적인 냉각 리브 또는 냉각액에 의한 능동 냉각이 제공되지 않더라도, 열전도율이 양호한 재료로 이루어진 전면 및/또는 후면 상의 층은 냉각 본체로서 역할을 하여, 열을 주변 환경으로 방출시킨다.
본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 냉각 장치는 냉각 공기의 흐름을 생성하기 위한 수단, 열 파이프 또는 펠티에 요소를 포함한다. 이러한 냉각 장치로 광학 물체의 표면의 효과적인 냉각이 또한 보장될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 냉각액의 추가적인 흐름과 함께 냉각 본체에 의한 냉각은 특히 비용 효율적이고 효과적인 바람직한 실시예이다.
위에서 언급된 본 발명의 특징 및 이하에서 또한 설명될 특징은 각각의 경우에 명시된 조합뿐만 아니라 다른 조합으로 또는 단독으로도, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 사용될 수 있음은 물론이다. 본 발명의 추가 특징 및 이점은 도면을 참조하여 바람직한 예시적인 실시예의 이하의 설명으로부터 나온다.
도 1은 본 발명에 따른 빔 변환체의 사시도를 도시한다.
도 2는 정면에서 본 도 1의 광학 요소의 단순화된 측면도이다.
도 3은 배면에서 본 광학 요소의 도면이다.
도 4는 전면 및 후면에 냉각 본체가 있고 그 위에 배열된 고정 요소가 있는 광학 요소를 통한 단순화된 단면도를 도시하고, 여기서 단순화를 위해 냉각 본체 내부의 냉각 채널의 표현이 생략되었다.
도 4a는 도 4에 따른 빔 변환체의 대안적인 실시예를 도시하고, 여기서 광학 요소만이 열 파이프 또는 펠티에 요소 형태의 냉각 요소와 함께 단면으로 도시되어 있다.
도 4b는 빔 변환체의 추가 변형을 도시하고, 여기서 광학 요소는 팬을 통해 공급되는 냉각 공기 라인 형태의 냉각 장치와 관련하여 도시되어 있다.
도 4c는 빔 변환체의 추가 변형을 도시하고, 여기서 수동 냉각을 위해 외부로 비스듬히 돌출된 냉각 리브가 제공되는 냉각 본체만이 도시되어 있다.
도 5a는 냉각이 없는 경우, 시간(분)에 대해 플로팅된 세장형 레이저 빔의 단축의 측정된 길이(마이크로미터)의 시간 경과에 따른 변화를 도시한다.
도 5b는 도 5a에 따른 표현을 도시하지만, 그러나 전면 및 후면 모두에서 냉각이 이루어지고, 냉각 본체를 통해 흐르는 냉각제를 통한 능동 냉각이 이루어진다.
도 1에서, 본 발명에 따른 빔 변환체는 사시도로 도시되고 전체적으로 숫자 10으로 표시된다.
빔 변환체(10)는 WO 2018/019374 A1에 상세히 설명된 바와 같이 물체를 조명하기 위해 작업 표면 상에 라인 형상의 레이저 빔을 제공하도록 설계된 레이저 시스템의 일부이며, 이 출원은 참조에 의해 본 명세서에 완전히 통합된다.
그 후, 레이저 라인은 상당한 길이에 걸쳐 제1 방향으로 연장되고, 제2 방향으로는 작은 범위만 연장된다. 레이저 시스템은 전파 방향을 따라 세장형 입력 레이저 빔에 대한 기초로서 레이저 빔을 방출하는 레이저 소스, 및 세장형 레이저 빔을 균질화 및 포커싱하여 레이저 라인을 형성하는 균질화 및 포커싱 유닛을 포함한다. 이 경우 일련의 레이저 라인으로 구성된 확장된 레이저 라인을 공동으로 형성하기 위해 복수의 레이저 시스템이 서로 옆에 배열될 수 있다. 이러한 레이저 시스템에서 광학 시스템의 일부는 입력 레이저 빔을 공간적 및/또는 시간적 코히어런스가 감소된 변환된 빔으로 변환하기 위한 빔 변환체이다.
WO 2018/019374 A1에 따르면, 이는 투명한 판형 광학 요소이고, 본질적으로 서로 평행하게 연장되는 전면 및 후면을 갖고, 전면에 입구 표면을 갖고, 후면에 출구 표면을 갖고, 빔 편향을 위한 복수의 반사 표면을 갖는다. 이러한 빔 변환체의 구조 및 동작 모드는 알려져 있다. 자세한 내용에 대해서는 WO 2018/919374 A1을 참조하도록 한다.
빔 변환체 내부의 변환은 일반적으로 X 방향(종방향 빔이 연장되는 방향)으로 빔 품질을 감소시키는 동시에, 레이저 빔의 Y 방향("폭")으로 빔 품질을 향상시키며, Z 방향은 레이저 빔의 전파 방향이다.
도 1에 따르면, 본 발명에 따른 빔 변환체(10)는 전체적으로 14로 표시되는 투명한 판형 모놀리식 광학 요소가 수용되는 하우징(12)을 포함한다. 판형 광학 요소(14)는 서로 평행하게 연장되는 전면 및 후면을 포함하고, 전면에 입구 표면(16)이 있고 후면에 출구 표면이 있다(도 1에는 도시되지 않음).
도 2 및 도 3에 따르면, 광학 요소(14)는 공통 에지(37)로부터 나오는 2 개의 직교하는 종방향 측면(33, 35)을 갖는 본질적으로 삼각형 형상을 갖는다. 본질적으로 직사각형인 입구 표면(16)이 전면(32)(도 2)에 형성되는 반면, 본질적으로 직사각형인 출구 표면(36)이 후면(34)(도 3)에 형성되며, 이는 입구 표면(16)에 대해 수직으로 연장된다. 입구 표면(16) 및 출구 표면(36)은 공통 에지(37)에 인접한 가장자리 영역에서 중첩된다. 입구 표면(16) 및 출구 표면(36)에는 반사 방지 코팅이 제공된다.
반면, 전면(32) 및 후면(34)은 반사율이 높은 코팅으로 외부가 코팅되어 있다. 이는 빔이 출구 표면(36)으로부터 다시 나오기 전에, 비스듬하게 입사되어 업스트림의 아나모픽 광학 배열체에 의해 타원형으로 확장된 레이저 빔에 대해 광학 요소(14) 내부에서 다중 반사를 발생시킨다. 그러나, 입구 표면(16)과 출구 표면(36) 사이의 중첩 영역에 수직으로 입사하는 레이저 빔은 반사되지 않고 출구 표면(36)으로부터 직접 나온다.
본 발명에 따르면, 전면(32) 및 후면(34) 모두에는, 전면(32) 전체 또는 후면(34) 전체에 걸쳐 각각 연장되는 냉각 본체(18 또는 24)(도 1)가 각각 제공되고, 여기서 입구 표면(16) 및 출구 표면(36)만이 제외된다. 냉각 본체(18, 24)는 구리로 구성되고, 각각 냉각제가 흐르고 있다. 도 1에서, 냉각 본체(18)의 연관된 냉각제 라인(20, 22)은 전면에서 볼 수 있고, 냉각 본체(24)의 냉각제 라인(26, 28)은 후면에서 볼 수 있다.
각각의 경계층에서 그리고 광학 요소(14) 자체의 유리 본체에서 레이저 방사선은 흡수되어, 광학 요소(14)의 불균일한 가열로 이어진다. 유리의 열전도율이 매우 낮기 때문에, 광학 요소(14)의 열전도를 통한 온도 균등화는 제한적으로만 이루어진다. 본 발명에 따르면, 이제 냉각 본체(18, 24)에 의해 온도 균등화가 생성되고, 그 결과 에너지가 부분적으로 소산되고 그렇지 않으면 전체 광학 요소(14)에 걸쳐 균일하게 분포된다.
유리는 열팽창 계수가 매우 낮지만, 그러나 바람직하게는 구리로 구성된 냉각 본체는 열 팽창 계수가 상당히 높기 때문에, 온도가 변하면 광학 요소(14)와 냉각 본체(18, 24) 사이에 상대적인 움직임이 발생한다. 경계면은 각각 반사율이 높은 층으로 구성되어 있기 때문에, 상대적인 움직임에 의해 손상될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 전면(32)의 냉각 본체(18)와의 사이 그리고 후면(34)의 냉각 본체(24)와의 사이에 각각 중간층(38, 40)이 제공되며(도 4), 이 중간층은 두께가 약 0.1 mm인 얇은 인듐 포일로 구성된다. 인듐의 녹는점은 157 ℃이다. 인듐의 열전도율은 약 81.6 Wm-1K-1로서, 구리(398 Wm-1K-1)보다 낮지만, 그러나 인듐은 항복 응력이 실온에서 약 1 MPa로 매우 낮기 때문에, 상호 접촉면에 양호한 적응을 가능하게 한다. 인듐은 매우 연성이기 때문에, 인듐 포일은 표면의 요철에 적응하고, 온도 변동 시에 양호한 균형을 이룬다. 냉각 본체(18, 24)와 광학 요소(14) 사이의 접촉 면적이 최대화되는 동시에, 전면(32) 및 후면(34)의 민감한 반사 코팅이 손상으로부터 보호된다(도 4에 따른 예시에서, 인듐으로 이루어진 중간층(38, 40)의 두께는 명료함을 위해 냉각 본체(18, 24)의 두께에 비해 상당히 과장되어 도시되어 있음에 유의하도록 한다; 또한 단순함을 위해 냉각제 라인(20, 22 및 26, 28)이 연결되는 냉각 본체(18, 24)의 냉각제 통로는 이 도면에 도시되어 있지 않다).
각각의 경우에 냉각 본체(18, 24)의 측면에 나사 결합되는 U자형 플랜지 형태의 둘러싸는 고정 요소(30)가 2 개의 냉각 본체(18, 24)를 고정하기 위해 사용된다.
WO 2018/019374 A1에서 알려진 바와 같이, 서로 옆에 배열된 복수의 레이저 시스템을 사용할 때, 연장된 라인 빔을 달성하기 위해 복수의 빔 변환체(10)가 서로 옆에 배열될 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.
대안적으로, 냉각 본체(18, 24) 대신에, 냉각 장치는 또한 다른 냉각제를 포함할 수 있다. 이를 위해, 도 4a에 예로서 도시된 바와 같이, 복수의 열 파이프 또는 펠티에 요소가 전면(32) 및 후면(34) 상에 제공될 수 있다. 빔 변환체는 여기서 전체적으로 10a로 표시된다.
도 4b에 따른 추가 변형에서, 빔 변환체는 전체적으로 10b로 표시된다. 광학 요소(14)를 냉각시키기 위해, 전면(32) 및 후면(34)으로부터 일정 거리를 두고 각각 냉각 공기 라인(44)이 제공되며, 이 냉각 공기 라인은 팬(46)을 통해 냉각 공기가 공급된다. 냉각 공기는 전면(32) 및 후면(34)을 냉각시키기 위해 광학 요소(14)를 향한 방향으로 연관된 노즐을 통해 냉각 공기 라인(44)을 빠져나간다.
도 4c는 전체적으로 10c로 표시된 빔 변환체의 추가 변형을 도시한다. 여기서는 냉각 본체(18)만이 전면 상에 도시되어 있다. 이는 외부로 비스듬히 돌출된 복수의 냉각 리브(48)가 구비된 수동 냉각 본체로 설계된다.
전반적으로, 냉각제 라인이 연결되는 도 4에 따른 능동 냉각 본체, 또는, 필요한 경우, 도 4c에 따른 수동 냉각 본체의 사용이 바람직한데, 왜냐하면 이것은 특히 집중적이고 균일한 냉각으로 이어지고 열 파이프 또는 펠티에 요소를 사용할 때보다 구조가 더 간단하고 비용 효율적이기 때문이다.
도 5a 및 도 5b에서는 전면 및 후면 모두에서 빔 변환체(10)의 능동 냉각의 효과를 비교하여 도시한다. 도 5a는 냉각이 없는 경우 가공 평면(FWHM = 프로파일의 절반 높이에서의 빔 폭)에서 세장형 레이저 빔의 단축의 측정된 폭을 보여주고, 도 5b는 냉각이 있는 경우 가공 평면(FWHM = 프로파일의 절반 높이에서의 빔 폭)에서 세장형 레이저 빔의 단축의 측정된 폭을 보여준다. 여기에서, 냉각되지 않은 버전의 경우 라인의 폭이 1 내지 2 분의 시간에 크게 변하는 것을 볼 수 있다. 라인의 폭이 변하면, 방사선이 더 작은 또는 더 큰 영역으로 분산되기 때문에, 전력 밀도도 변한다. 이것은 바람직하지 않다.
불균일한 가열은 양 측면 반사 표면의 (국부적) 변형을 일으키고, 경우에 따라, 또한 굴절률도 변화시킬 수 있다. 결과적으로 출사 빔은 모양 및 높이가 변한다. 이러한 기하학적 구조는 가공 평면에 매핑되기 때문에, 이에 따라 가공 평면에 있는 라인의 기하학적 구조, 주로 라인 폭 및 사다리꼴 빔 프로파일도 변경된다.
도 5a에 따른 냉각된 실시예에서는 명확한 개선이 분명하게 인식될 수 있다.

Claims (11)

  1. 서로 기본적으로 평행하게 연장되는 전면(32) 및 후면(34)을 갖고, 입구 표면(16) 및 출구 표면을 갖고, 빔 편향을 위한 복수의 반사 표면을 갖는 투명한 판형 광학 요소(14) 형태의, 특히 물체의 라인 조명을 위한 레이저 시스템에 사용하기 위한, 입력 레이저 빔을 감소된 공간적 및/또는 시간적 코히어런스를 갖는 변환된 빔으로 변환하기 위한 빔 변환체로서,
    적어도 상기 전면(32) 또는 상기 후면(34) 상에 냉각 장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 빔 변환체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 장치는 적어도 상기 전면(32) 또는 상기 후면(34) 상에 냉각 본체(18, 24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 변환체.
  3. 빔 변환체에 있어서,
    상기 냉각 본체(18, 24)는 적어도 50 Wm-1K-1의 열전도율을 갖는 열전도성 재료, 바람직하게는 구리 또는 알루미늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는 빔 변환체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 요소(14)의 상기 전면 및/또는 상기 후면(32, 34)과 상기 냉각 본체(18, 24)의 표면 사이에는, 상기 냉각 본체(18, 24)를 구성하는 상기 재료보다 더 연성인 열전도성 재료로 이루어진 중간층(38, 40)이 배열되는 것을 특징으로 하는 빔 변환체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 중간층(38, 40)은 인듐으로 구성되는 것을 특징으로 하는 빔 변환체.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 중간층(38, 40)은 0.02 내지 1 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 빔 변환체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 중간층(38, 40)은 약 0.1 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 빔 변환체.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 본체(18, 24)는 수동 냉각을 위한 냉각 리브(48)를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 변환체.
  9. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 본체(18, 24)는 냉각액의 공급 및 제거를 위한 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 변환체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 요소(14)의 상기 전면(32) 및 상기 후면(34) 모두에 냉각 장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 빔 변환체.
  11. 제1항 또는 제10항에 있어서,
    상기 냉각 장치는 냉각 공기 흐름을 생성하기 위한 수단(44, 46), 열 파이프 또는 펠티에 요소(42)를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 변환체.
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