KR20230078081A - 반도체용 광학계 시스템 - Google Patents

반도체용 광학계 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20230078081A
KR20230078081A KR1020210165489A KR20210165489A KR20230078081A KR 20230078081 A KR20230078081 A KR 20230078081A KR 1020210165489 A KR1020210165489 A KR 1020210165489A KR 20210165489 A KR20210165489 A KR 20210165489A KR 20230078081 A KR20230078081 A KR 20230078081A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
laser
optical system
lens array
micro
homogenizer
Prior art date
Application number
KR1020210165489A
Other languages
English (en)
Inventor
채진석
이규항
최부연
김종배
Original Assignee
디아이티 주식회사
제네랄옵틱스 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 디아이티 주식회사, 제네랄옵틱스 주식회사 filed Critical 디아이티 주식회사
Priority to KR1020210165489A priority Critical patent/KR20230078081A/ko
Publication of KR20230078081A publication Critical patent/KR20230078081A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/066—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms by using masks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/354—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment by melting
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67115—Apparatus for thermal treatment mainly by radiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices
    • B23K2101/40—Semiconductor devices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

본 발명은 반도체용 광학계 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 웨이퍼의 대상물로 레이저를 조사하여 대상물을 가공하는 시스템으로서, 레이저를 출력하는 레이저 광원부; 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(Cylindrical lens array)를 포함하거나 적어도 하나의 제1 마이크로 렌즈 어레이(Micro lens array)를 포함하여, 출력된 레이저를 균일화하는 호모게나이저 광학계; 및 상기 호모게나이저 광학계의 전방에 배치되되, 상기 실린드리컬 렌즈 어레이 또는 상기 제1 마이크로 렌즈 어레이에 대해 광축을 회전 중심축으로 하여 회전된 각도를 가지도록 배치되는 제2 마이크로 렌즈 어레이;를 포함한다.

Description

반도체용 광학계 시스템{OPTICAL SYSTEM FOR SEMICONDUCTORS}
본 발명은 반도체용 광학계 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체에 대해 어닐링(annealing) 등의 가공 처리를 위해 레이저를 조사하되 레이저의 균일도 저하를 방지하도록 구현된 시스템에 관한 것이다.
레이저를 이용한 표면처리는 각종 반도체 소자 제조 공정 중에 사용될 수 있다. 이러한 레이저를 이용한 표면처리는 웨이퍼의 다수 반도체 소자에 대해 레이저 빔을 이용함으로써, 낮은 열처리량(thermal budget), 높은 도펀트(dopant) 활성화, 초계단 접합(super-abrupt junction) 등을 제공할 수 있다.
한편, 종래의 레이저 빔을 이용한 표면처리 장치(이하, “종래 기술”라 지칭함)의 경우, 레이저의 균일화를 위해 다양한 렌즈 어레이(lens array)를 구비한 호모게나이저(homogenizer)를 포함한다. 하지만, 종래 기술은 호모게나이저의 렌즈 어레이가 갖는 주기적 구조로 인해 간섭 무늬가 발생하여 레이저의 균일도가 저하되는 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에서, 호모게나이저의 후방에 배치되는 다양한 렌즈의 내면 반사와 웨이퍼의 반사에 의해 발생되는 미광(stray light)이 호모게나이저의 후단으로 입사되면서 레이저의 균일도 저하 문제가 더욱 촉진될 수 있다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 반도체에 대해 어닐링(annealing) 등의 가공 처리를 위한 레이저 조사 시 레이저의 균일도 저하를 방지하도록 구현된 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 웨이퍼의 대상물로 레이저를 조사하여 대상물을 가공하는 시스템으로서, 레이저를 출력하는 레이저 광원부; 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(Cylindrical lens array)를 포함하거나 적어도 하나의 제1 마이크로 렌즈 어레이(Micro lens array)를 포함하여, 출력된 레이저를 균일화하는 호모게나이저 광학계; 및 상기 호모게나이저 광학계의 전방에 배치되되, 상기 실린드리컬 렌즈 어레이 또는 상기 제1 마이크로 렌즈 어레이에 대해 광축을 회전 중심축으로 하여 회전된 각도를 가지도록 배치되는 제2 마이크로 렌즈 어레이;를 포함한다.
상기 제2 마이크로 렌즈 어레이는 상기 회전된 각도에 따라 상기 호모게나이저 광학계에서 발생되는 레이저의 간섭 무늬 또는 중첩 빔 크기에 영향을 줄 수 있다.
상기 제2 마이크로 렌즈 어레이는 상기 간섭 무늬 또는 상기 중첩 빔 크기를 줄이도록 작용할 수 있다.
상기 제2 마이크로 렌즈 어레이는 전방의 실린드리컬 렌즈 어레이 또는 전방의 제1 마이크로 렌즈 어레이에 대해 10˚ 내지 60˚의 회전된 각도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 균일화된 레이저에 대한 빔 단면 형상을 변경하는 마스크를 더 포함할 수 있다.
상기 마스크는, 균일화된 레이저를 통과시키는 재질을 포함하는 제1 부분; 및 상기 제1 부분의 후면에 위치하는 제2 부분;를 포함하며, 상기 제2 부분은, 균일화된 레이저가 통과하는 빔 관통부와, 후면에서 상기 빔 관통부의 가장자리 부분에 위치하고 단부로 갈수록 직경이 작아지는 테이퍼 형상을 가지는 빔 차단부를 포함할 수 있다.
상기 빔 차단부는 전방에서 입사되는 균일화된 레이저 또는 후방에서 입사되는 대상물에서의 반사 레이저에 대해 그 진행 방향을 변경하도록 작용할 수 있다.
상기 빔 차단부는 상기 진행 방향의 변경 작용에 의해 상기 균일화된 레이저가 대상물로 전달되는 것을 차단하거나 상기 반사 레이저가 상기 호모게나이저 광학계로 전달되는 것을 차단할 수 있다.
상기 빔 관통부와 빔 차단부는 동일한 재질로 이루어질 수 있다.
상기 제1 부분은 전면이 평면 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은, 상기 레이저 광원부와 상기 호모게이나이저 광학계의 사이에 배치되며, 레이저의 세기를 조절하는 어테뉴에이터(attenuator) 광학계; 균일화된 레이저가 진행하는 광 경로 상에서 회전하되 회전 정도에 따라 레이저의 반사 여부를 결정하는 회전 미러; 및 회전 미러에 의해 반사된 레이저의 파워를 측정하는 파워 미터;를 더 포함할 수 있다.
상기 회전 미러는 대상물의 가공 영역 외 비가공 영역에 대한 레이저 조사 시 상기 파워 미터로 레이저를 반사시키도록 회전하며, 상기 어테뉴에이터 광학계는 상기 파워 미터에서 측정된 결과에 따라 레이저의 세기를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 상기 레이저 광원부와 상기 어테뉴에이터 광학계의 사이에 배치되거나, 상기 어테뉴에이터 광학계와 상기 호모게나이저 광학계의 사이에 배치되며, 레이저에 대한 펄스폭 조절을 수행하는 펄스폭 조정기를 더 포함할 수 있다.
상기 펄스폭 조정기는 상기 펄스폭 조절을 통해 레이저에 대한 시간적 지연을 기반으로 상기 호모게나이저 광학계에서 발생되는 레이저의 간섭 무늬 또는 중첩 빔 크기에 영향을 줄 수 있다.
상기 펄스폭 조정기는 상기 간섭 무늬 또는 상기 중첩 빔 크기를 줄이도록 작용할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 어닐링(annealing) 등의 가공 처리를 위한 레이저 조사 시 레이저의 균일도 저하를 방지하기 위한 다양한 구조를 구비함으로써 레이저의 균일도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 레이저의 실시간 모니터링 및 보정이 가능하며, 보다 안정적인 레이저 운용이 가능한 이점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(100)의 전체 구성도를 나타낸다.
도 2는 웨이퍼의 대상물(OB)에 대해 각 라인을 스캔하는 일 예를 나타낸다.
도 3은 호모게나이저 광학계(130)의 제1 실시예에 대한 구성 및 그 빔 프로파일(beam profile)을 나타낸다.
도 4은 호모게나이저 광학계(130)의 제2 실시예에 대한 구성 및 그 빔 프로파일(beam profile)을 나타낸다.
도 5는 레이저 빔 크기의 계산에 대해 나타낸다.
도 6은 호모게나이저 광학계(130)의 전방에 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)가 배치된 모습을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리즘 마스크(140')의 구조를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리즘 마스크(140')에서 빔 차단부(142a) 부근에서의 레이저에 대한 작용을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스폭 조정기(160)의 구성도를 나타낸다.
본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", “구비하다”, “마련하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 용어는 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, “또는 B”“및 B 중 적어도 하나”는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.
본 명세서에서, “예를 들어” 등에 따르는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어’ 있다거나 '접속되어' 있다고 기재된 경우, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '～사이에'와 '직접 ～사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, '제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 또한, 위 용어는 각 구성요소의 순서를 한정하기 위한 것으로 해석되어서는 안되며, 하나의 구성요소와 다른 구성요소를 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(100)의 전체 구성도를 나타내며, 도 2는 웨이퍼의 대상물(OB)에 대해 각 라인을 스캔하는 일 예를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(100)은 웨이퍼 등의 대상물(OB)에 대한 가공 영역에 레이저를 조사함으로써 대상물(OB)을 가공 처리하는 장치로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 광원부(101), 어테뉴에이터 광학계(Attenuator optics)(120), 호모게나이저 광학계(Homogenizer optics)(130), 필드 렌즈(103), 마스크(mask)(140), 회전 미러(105), 파워 미터(power meter)(107), 미러(111), 종단 렌즈(109, 113), 제어부(150) 등을 포함할 수 있다.
또한, 본 시스템(100)은 이동부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 즉, 이동부는 대상물(OB)에 조사되는 레이저의 위치를 이동시시켜 라인 등을 따라 레이저 스캔이 가능하게 하는 구성이다. 이를 위해, 이동부는 대상물(OB)을 이동시키거나 본 시스템(100) 내의 광학계를 이동시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 시스템(100)는 다수의 반도체 소자를 가진 웨이퍼가 대상물(OB)일 수 있으며, 해당 웨이퍼에 대해 한 라인씩 레이저의 스캔(scan)을 통해 웨이퍼를 가공 처리할 수 있다. 이때, 가공 처리는 표면 처리 등을 포함할 수 있으며, 표면 처리는 레이저 스캔을 통해, 반도체 소자의 도핑 농도를 증가시킬 수 있는 광학적 어닐링(annealing), 반도체 소자 표면의 극성을 변환(예를 들어, 질소 극성을 Ⅲ족 원소 극성으로 변환 등) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 반도체 소자의 상태, 성질 등을 변화시키는 모든 처리를 포함할 수 있다.
레이저 광원부(101)는 레이저를 생성 출력하는 구성이다. 레이저 광원부(101)는 n개(단, n은 자연수)가 구비될 수 있다. 만일, n이 복수개인 경우, 복수개의 레이저가 각 레이저 광원부(101)에서 출력될 수 있다. 레이저 광원부(101)는 펄스 형태로 레이저를 출력할 수 있다. 가령, 레이저 광원부(101)는 DPSS(Diode pumped solid state) 레이저, 플래쉬 LPSS(lamp pumped solid state) 레이저 등을 생성할 수 있으며, 다양한 반복율(예를 들어, 50Hz 이하)과 다양한 펄스당 에너지를 가지는 레이저를 생성할 수 있다.
예를 들어, 레이저 광원부(101)에서 생성되는 레이저는 파장이 500nm이상 내지 600nm이하일 수 있고, 그 방출 시간이 반치폭 기준 30ns 이하일 수 있으며, 대상물(OB) 상에서의 에너지 밀도는 0.3J/cm2 ~ 1.0J/cm2일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 해당 레이저를 사용하는 경우, 종래보다 높은 에너지의 레이저를 사용함에 따라, 표면 처리 등의 가공 처리 효율을 더욱 높일 수 있다. 또한, 본 발명은 30ns 이하의 단펄스 레이저 방출 시간을 가지므로, 레이저 스캔에 따른 웨이퍼 등 대상물(OB)의 충격 및 손상을 줄일 수 있으며, 웨이퍼 하부 층에 손상을 주기 않아 웨이퍼의 각 라인에 대한 레이저 스캔 시 빔의 중첩 부분을 웨이퍼의 스크라이브 라인(scribe Line)에 국한시키지 않아도 되는 이점이 있다.
어테뉴에이터 광학계(120)는 레이저 광원부(101)에서 방출된 레이저가 입사되면, 입사된 레이저 세기(예를 들어, 에너지)를 조절하는 기능을 가진다. 이때, 다수의 레이저 빔이 입사될 수 있으며, 어테뉴에이터 광학계(120)는 각 레이저 빔에 대한 세기를 조절할 수 있다.
가령, 어테뉴에이터 광학계(120)는 입사되는 레이저의 각도를 변화(즉, 레이저 입사 부분 광학계의 각도를 변화)시킴으로써 그 레이저 입사 부분 광학계에 투과되는 레이저의 에너지를 변화시킬 수 있으며, 이에 따라, 출력되는 레이저의 에너지(즉, 출력 강도)를 조절할 수 있다. 이러한, 어테뉴에이터 광학계(120)에서의 레이저의 에너지 조절 정도는 제어부(150)의 제어 신호에 의해 제어될 수 있다.
호모게나이저 광학계(130)는 레이저 광원부(101)에서 출력된 레이저(어테뉴에이터 광학계(120)가 없는 경우) 또는 어테뉴에이터 광학계(120)에서 출력된 레이저를 균일화시키는 구성이다. 즉, 균일화 전의 레이저는 빔의 중간 부분에서 에너지가 높고 가장자리 부분에서 에어지가 낮은 가우시안(Gaussian) 빔 형태를 가진다. 이러한 가우시안 빔 형태의 레이저가 대상물(OB)의 표면에 조사될 경우, 레이저의 빔이 닿는 부위에 따라 불균일한 표면 처리가 발생될 수 있다. 반면, 호모게나이저 광학계(130)를 통해 균일화된 레이저는 빔의 중간 부분과 가장자리 부분의 에너지 차이를 최소화하여, 빔 전 영역에서 에너지가 균일한 Flat-top 빔 형태를 가진다.
특히, 다수의 레이저 빔이 호모게나이저 광학계(130)를 통과하면서 하나로 합쳐진 레이저로 출력될 수 있다. 즉, 호모게나이저 광학계(130)는 공간적으로 분포된 여러 개의 레이저 빔을 하나의 Flat-top 빔 형태로 합성/변형시킬 수 있다. 이 경우, 대상물(OB)에 조사되는 레이저의 범위를 확장하면서 동시에 그 파워도 높일 수 있는 이점이 있다.
도 3은 호모게나이저 광학계(130)의 제1 실시예에 대한 구성 및 그 빔 프로파일(beam profile)을 나타내며, 도 4은 호모게나이저 광학계(130)의 제2 실시예에 대한 구성 및 그 빔 프로파일(beam profile)을 나타낸다.
제1 실시예에 따르면, 호모게나이저 광학계(130)는 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(Cylindrical lens array)(131, 132)와, 이들 실린드리컬 렌즈 어레이(131, 132)의 후방에 배치된 필드 렌즈(Field lens)(133)를 포함하여, 입사된 레이저를 균일화할 수 있다.
이때, 실린드리컬 렌즈들은 그 면 방향(단, Z축은 광축 방향)의 X축 및 Y축 반경이 서로 다른 유형의 렌즈로서, Y축의 반경이 강조된 수직 방향 실린드리컬 렌즈와, 다른 하나는 X축 반경이 강조된 수평 방향 실린드리컬 렌즈가 있다. 즉, 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(131, 132) 중에 어느 하나는 수직 방향 실린드리컬 렌즈가 그 면 방향(X축 및 Y축)에서 복수 배치된 것(이하, “수직 방향 실린드리컬 렌즈 어레이”라 지칭함)이며, 다른 하나는 수평 방향 실린드리컬 렌즈가 그 면 방향에서 복수 배치된 것(이하, “수평 방향 실린드리컬 렌즈 어레이”라 지칭함)이다.
이에 따라, 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(131, 132)에 하나는 Y축의 반경이 강조된 수직 방향 실린드리컬 렌즈 어레이일 수 있고, 다른 하나는 X축의 반경이 강조된 수평 방향 실린드리컬 렌즈 어레이일 수 있다. 이러한 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(131, 132)는 수직 방향 실린드리컬 렌즈들(전방 및 후방 중 어느 하나에 배치)과 수평 방향 실린드리컬 렌즈들(전방 및 후방 중 다른 하나 하나에 배치)이 광축(Z축) 상에서 서로 이격되되 면 방향(X축 및 Y축)에 서로 대응한 위치에 배치될 수 있으며, 이들의 광학 작용에 의해 레이저가 균일화될 수 있다.
또한, 제2 실시예에 따르면, 호모게나이저 광학계(130)는 적어도 하나의 제1 마이크로 렌즈 어레이(Micro lens array)(134, 135)와, 적어도 하나의 제1 마이크로 렌즈 어레이(134, 135)의 후방에 배치된 필드 렌즈(136)를 포함하여, 입사된 레이저를 균일화할 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이는 콜리메이트 기능 또는 발산각을 변환하는 기능을 가지는 렌즈가 면 방향에서 복수 배치된 것이다. 이에 따라, 제1 마이크로 렌즈 어레이(134, 135)는 적어도 하나가 구비되어, 그 광학 작용에 의해 레이저가 균일화될 수 있다. 즉, 도 4에 및 도 6에서는 복수의 제1 마이크로 렌즈 어레이(134, 135)가 구비된 것으로 도시되었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
다만, 복수의 제1 마이크로 렌즈 어레이(134, 135)가 구비될 경우, 전방의 마이크로 렌즈 어레이(134)의 마이크로 렌즈들과 후방의 마이크로 렌즈 어레이(135)의 마이크로 렌즈들은 광축(Z축) 상에서 서로 이격되되 면 방향(X축 및 Y축)에서 서로 대응하는 위치에 배치될 수 있다.
또한, 필드 렌즈(133, 136)는 다수의 다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(Cylindrical lens array)(131, 132) 또는 적어도 하나의 제1 마이크로 렌즈 어레이(134, 135)에 의해 균일화된 레이저 빔을 집광할 수 있다. 예를 들어, 필드 렌즈(133, 136)는 푸리에 렌즈(Fourier lens)일 수 있다.
도 5는 레이저 빔 크기의 계산에 대해 나타낸다.
도 5를 참조하면, 렌즈 어레이(LA1, LA2)에서, 그 하나의 마이크로 렌즈에 대한 가로 및 세로 크기를 피치(PLA1)라고 한다. 이러한 피치 값은, 렌즈 어레이(LA1, LA2)의 초점거리(fLA1, fLA2), 렌즈 어레이(LA1, LA2) 간의 거리(a12), 및 필드 렌즈(FL)의 초점거리(fFL)에 의해 그 후방(FP)에서의 레이저 빔 크기를 결정한다.
즉, 도 5에 따른 계산식은 입사되는 레이저 빔의 크기(SIN)가 렌즈 어레이(LA1, LA2)의 피치(PLA1) 보다 충분히 크고, 필드 렌즈(FL)를 1개 사용할 때 적용 가능하다. 이러한 계산식에서 알 수 있는 바와 같이, 렌즈 어레이(LA1, LA2)의 피치(PLA1), 초점거리(fLA1, fLA2), 렌즈 어레이(LA1, LA2) 간의 거리(a12), 및 필드 렌즈(FL)의 초점 거리(fFL)에 의해 그 후방(FP)에서의 중첩된 레이저 빔 크기(DFT)가 결정된다.
이러한 제1 렌즈 어레이(LA1) 및 제2 렌즈 어레이(LA2)는, 제1 실시예의 경우 실린드리컬 렌즈 어레이들(131, 132)일 수 있고, 제2 실시예의 경우 제1 마이크로 렌즈 어레이들(134, 135)일 수 있다.
즉, 도 5의 내용을 적용하면, 제1 및 제 실시예에서, 실린드리컬 렌즈 어레이(131, 132) 및 필드 렌즈(133)와, 제2 실시예의 제1 마이크로 렌즈 어레이(134, 135) 및 필드 렌즈(136)에 의해 각각 레이저 빔의 중첩(간섭)이 발생한다. 이에 따라, 도 3 및 도 4의 빔 프로파일에서 알 수 있는 바와 같이, 호모게나이저 광학계(130)의 후방(PL)에서 간섭 무늬가 발생하면서 레이저의 균일도가 저하되는 문제가 발생한다.
도 6은 호모게나이저 광학계(130)의 전방에 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)가 배치된 모습을 나타낸다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)가 추가로 배치될 수 있으며, 이러한 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)는 호모게나이저 광학계(130)에 입사되는 파면을 변조하여 간섭 효과를 감소시키는 구성에 해당한다.
이때, 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)는 호모게나이저 광학계(130)의 전방에 회전된 형태로 배치될 수 있다. 즉, 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)는 제1 실시예의 전방 실린드리컬 렌즈 어레이(131)에 대해 또는 제2 실시예의 전방 제1 마이크로 렌즈 어레이(134)에 대해, 광축(Z축)을 회전 중심축으로 하여 소정의 회전 각도를 가지도록 배치될 수 있다.
이러한 회전 각도의 배치에 따라, 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)는 호모게나이저 광학계(130)에서 발생되는 레이저의 간섭 무늬 또는 중첩 빔 크기에 영향을 줄 수 있다. 즉, 이러한 배치에 의해, 호모게나이저 광학계(130)로 입사하는 레이저 빔들이 분할되고 수직 또는 수평의 셀로 균등하게 분포되지 않으면서 호모게나이저 광학계(130)의 간섭 패턴을 약화시킬 수 있다.
특히, 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)는 제1 실시예에서 전방의 실린드리컬 렌즈 어레이(131)에 대해 또는 제2 실시예에서 전방의 제1 마이크로 렌즈 어레이(134)에 대해, 광축(Z축)을 기준으로 10˚ 내지 60˚의 회전 각도를 가지도록 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)는 해당 간섭 무늬 또는 중첩 빔 크기를 줄이도록 작용하여, 호모게나이저 광학계(130)의 레이저 빔 간섭에 따른 레이저 균일도 저하를 방지할 수 있다. 즉, 레이저에 대한 Pulse stretch를 유발시켜 더 높은 균일도를 대상물(OB)에서 얻을 수 있다. 다만, 그 회전 각도가 10˚의 미만이 되거나 60˚를 초과하는 경우, 해당 간섭 무늬 또는 중첩 빔 크기의 감소 효과는 크게 나타나지 않을 수 있다.
또한, 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)는 복수개가 구비될 수 있다. 이 경우, 더 많은 형태의 파면이 형성되면서 간섭 무늬 또는 중첩 빔 크기의 감소 효과는 더욱 촉진될 수 있다. 다만, 제2 마이크로 렌즈 어레이(137)는 서로 다른 회전 각도를 가질 수도 있다.
마스크(140)는 호모게나이저 광학계(130)에서 균일화된 레이저에 대한 빔 단면 형상을 변경한다. 즉, 마스크(140)는 대상물(OB)에 대한 최종 레이저의 상의 크기 및 형상을 결정할 수 있다. 이때, 마스크(140)에서 레이저 빔의 외곽 부분을 커팅하는 방법에 따라 빔 스티프니스를 다르게 할 수 있다.
예를 들어, 마스크(140)는 라인 형상 또는 사각 형상(즉, 직사각형)의 빔 단면 형상을 출력할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 마스크(140)는 레이저를 차단하는 빔 차단부와 레이저를 통과시키는 빔 관통부를 각각 가진다. 이때, 마스크(140)는 빔 차단부 및 빔 관통부가 조절 안되는 고정형 마스크이거나, 빔 차단부 및 빔 관통부가 조절 가능한 가변형 마스크일 수 있다. 즉, 가변형 마스크는 레이저의 빔 형상에 대한 변경이 가능하다. 다만, 고정형 마스크도 교체 가능하게 구성되어, 레이저의 빔 형상에 대한 변경이 가능할 수도 있다. 다만, 필요에 따라 마스크(140)는 구비되지 않을 수도 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리즘 마스크(140')의 구조를 나타낸다. 즉, 도 7(a)는 프리즘 마스크(140')에 대해 그 전방에서 바라본 평면도를 나타내고, 도 7(b)는 프리즘 마스크(140')의 일 측면도를 나타낸다. 즉, 도 7(b)에서 레이저는 좌측에서 입사되어 우측으로 출사된다. 또한, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리즘 마스크(140')에서 빔 차단부(142a) 부근에서의 레이저에 대한 작용을 나타낸다.
마스크(140)는 고정형 마스크의 종류인 프리즘 마스크(140')로 구현될 수 있다. 이때, 프리즘 마스크(140)는 광(레이저)에 대해 작용하는 프리즘의 원리를 이용하여 레이저의 빔 형상을 변경하는 마스크로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 부분(141) 및 제2 부분(142)을 포함한다. 이때, 제조 비용의 절감을 위해, 빔 관통부(142b)와 빔 차단부(142a)의 재료는 동일 재질로 이루어질 수 있다.
제1 부분(141)은 레이저를 통과시키는 재질로 이루어지며, 전면이 평면 형상으로 구현된다. 즉, 제1 부분(141)의 전면으로 입사된 레이저는 그 재질적인 특성에 따라 제1 부분(141)을 대부분 통과할 수 있다.
제2 부분(142)은 제1 부분(141)의 후면에 위치하는 부분으로서, 레이저를 통과시키는 재질로 이루어진다. 이때, 제2 부분(142)은 레이저가 통과하는 빔 관통부(142b)와, 레이저를 차단하는 빔 차단부(142a)를 포함한다. 이때, 빔 차단부(142a)는 빔 관통부(142b)의 가장자리 부분에 위치하는데, 테이퍼 형상을 가진다. 특히, 테이퍼 형상은 제2 부분(142)의 후면에 위치하며, 단부로 갈수록 그 직경이 작아지는 형태일 수 있다.
이러한 테이퍼 형상을 구비함에 따라, 빔 차단부(142a)는 레이저를 통과시키는 재질로 이루어짐에도 불구하고 레이저에 대해 프리즘 작용을 일으켜 해당 레이저의 진행 방향을 변경함으로써, 해당 레이저를 차단할 수 있다. 즉, 빔 차단부(142a)는 전방에서 입사되는 균질화된 레이저 또는 후방에서 입사되는 대상물(OB)에서의 반사 레이저에 대해, 굴절 또는 분산 작용을 일으켜 그 진행 방향을 변경할 수 있다. 이러한 진행 방향의 변경 작용에 따라, 빔 차단부(142a)의 부근에서, 전방 입사되는 균일화된 레이저가 후방의 광학계를 거쳐 대상물(OB)로 최종 전달되는 것이 차단될 수 있으며, 후방 입사되는 반사 레이저가 호모게나이저 광학계(130)로 전달되는 것이 차단될 수 있다.
도 8에서, 청색광선은 레이저 빔이 프리즘 마스크(140')의 빔 차단부(142a) 부근을 지나가는 것을 표현한다. 이때, 청색광선 중 레이저의 빔 형상에서 불필요한 부분은 빔 차단부(142a)의 프리즘 작용에 의해 그 후방의 광학계인 제1 종단 렌즈(109)의 전단으로 입사되지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 도 8에서, 적색광선은 후방의 광학계의 내면 반사 또는 대상물(OB)의 반사에 의해 발생되는 반사 레이저의 미광(stray light)이 지나가는 것을 표현한다. 이때, 해당 적색광선은 빔 차단부(142a)의 프리즘 작용에 의해 그 전방의 광학계인 호모게나이저 광학계(130)의 후단으로 입사되지 않는 것을 알 수 있다.
이러한 빔 차단부(142a)의 프리즘 작용으로 인해, 레이저 빔 차단에 따라 레이저에 대한 마스크 작용이 가능할 뿐 아니라, 전방 또는 후방의 광학계로 불필요한 레이저의 전달을 차단하여, 해당 불필요한 레이저에 의해 발생하는 레이저 균일화의 저하를 방지할 수 있다.
예를 들어, 프리즘 마스크(140')의 제1 부분(141)은 532nm 파장의 레이저를 투과할 수 있는 광학 소재를 포함할 수 있다. 또한, 532nm 파장을 투과할 수 있는 재질을 이용하여 해당 광학 소재의 양면을 AR 코팅할 수 있으며, 그 후면의 가장자리 부분에 특정 각도의 경사부를 형성시킴으로써 빔 차단부(142a)를 구현할 수 있다.
한편, 호모게나이저 광학계(130)와 마스크(140)의 사이에는 다양한 광학계(미러 또는 렌즈 등)가 추가적으로 구비될 수 있다. 가령, 필드 렌즈(103)가 구비되는 경우, 필드 렌즈(103)는 호모게나이저 광학계(130)를 거쳐 균일화된 레이저를 집광할 수 있다. 즉, 필드 렌즈(103)는 호모게나이저 광학계(130)의 상(像)을 마스크(140)로 정확히 이동시키는데 사용될 수 있다. 특히, 필드 렌즈(103)는 호모게나이저 광학계(130)의 필드 렌즈(133, 136)와 조합되어 시스템의 초점거리를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 필드 렌즈(103)는 푸리에 렌즈(Fourier lens)일 수 있다.
또한, 레이저에 대한 모니터링 구성을 위해, 회전 미러(105) 및 파워 미터(107)가 포함될 수 있다. 이때, 회전 미러(105) 및 파워 미터(107)는 대상물(OB)에 대한 가공 처리 중에 출력되는 레이저의 파워를 측정을 위한 구성이다.
즉, 회전 미러(105)는 균일화된 레이저(마스크가 구비되지 않은 경우) 또는 빔 단면 형상이 변경된 레이저(마스크가 구비된 경우)가 진행하는 광 경로 상에 구비되어 회전하되, 그 회전 정도에 따라 해당 레이저의 반사 여부를 결정한다. 특히, 회전 미러(105)는 대상물(OB)에 현재 조사되는 최종 레이저의 스캔 영역(조사 영역)이 비가공 영역에 해당하는 경우(즉, 비가공 영역에 대한 최종 레이저 조사 시), 레이저를 파워 미터(107)로 반사하도록 회전할 수 있다. 이 경우, 레이저는 회전 미러(105)에 의해 중간에 차단되어 대상물(OB)의 비가공 영역에 조사되지 않을 수 있다.
이때, 가공 영역은 대상물(OB) 내에서 레이저 조사에 의해 가공 처리되는 영역을 지칭하며, 비가공 영역은 대상물(OB) 내에서 가공 처리가 불필요한 영역이거나 대상물(OB) 밖의 영역일 수 있다. 이러한 비가공 영역은 레이저 스캔 과정 중에 대상물(OB)의 가공 영역들 사이의 위치할 수 있다.
예를 들어, 회전 미러(105)는 마스크(140)와 제1 종단 렌즈(109)의 사이에서 회전하는 거울로서, 그 회전 정도에 따라 마스크(140)와 제1 종단 렌즈(109)의 사이에서 진행하는 레이저의 반사 여부를 결정할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 파워 미터(107)는 레이저 스캔 영역(조사 영역)이 비가공 영역에 위치하는 경우에 회전 미러(105)에 의해 반사된 레이저의 파워를 측정하며, 이때 스테이지는 가공 라인을 바꾸는 동작을 할 수 있다. 이후, 측정된 파워 값은 제어부(150)로 전달되며, 제어부(150)에서는 해당 반사된 레이저의 측정 값을 이용하여, 대상물(OB)에 출력되는 레이저에 대한 파워를 분석할 수 있다.
만일, 분석된 레이저의 파워가 설정된 값에서 변경된 경우, 제어부(150)는 해당 변경 값을 반영하여 어테뉴에이터 광학계(120)에 의해 레이저의 에너지가 조절되도록 제어할 수 있다. 즉, 제어부(150)는 분석된 레이저의 파워와 설정된 레이저 파워를 비교하여, 에러 값을 계산하여 피드백 제어를 할 수 있다. 이때, 계산된 에러만큼 어테뉴에이터 광학계(120)의 각도를 회전시키도록 제어함으로써, 실시간으로 레이저의 에너지를 보정할 수 있다.
예를 들어, 제어부(150)는 프로세서와 메모리를 포함할 수 있으며, 프로세서는 메모리에 저장된 프로그램에 따라 어테뉴에이터 광학계(120)의 제어를 위한 신호를 생성하여 어테뉴에이터 광학계(120)로 전달할 수 있다.
이러한 모니터링의 결과, 레이저 출력 상태가 안정적인 파워 산포를 유지하는지, 주기적인 발진이 이루어지는지, 장시간 사용에 대한 파워 감소가 있는지 등의 정보를 확인할 수 있다. 특히, 모니터링에 따라, 대상물(OB)에 대한 가공 처리 중에 실시간으로 레이저의 파워에 대한 분석 및 보정이 가능하므로, 안정적인 레이저 운영이 가능하며, 일정한 가공 품질 도출이 가능하다.
가령, 도 2를 참조하면, 대상물(OB)이 웨이퍼인 경우, 본 발명은 웨이퍼에 대해 한 라인(line)씩 레이저 스캔을 통해 각 반도체 소자를 가공 처리(표면 처리 등)할 수 있다. 이때, 비가공 영역은 하나의 라인에 대한 레이저 스캔 후부터 다음 라인의 레이저 스캔 전까지의 사이 시간(BT)에 해당하는 영역일 수 있다. 즉, 회전 미러(105)는 BT 시에 회전하여 레이저를 블로킹함으로써, 파워 미터(107)로 레이저를 반사시킬 수 있다. 반사된 레이저는 파워 미터(107)에서 그 파워를 측정된 후, 제어부(150)로 그 측정 값이 전달되어 그 레이저의 에너지가 조절될 수 있다. 이후, 다음 라인 레이저 스캔 시에 회전 미러(105)는 다시 제자리로 위치함으로써, 다음 라임에 대한 레이저 스캔이 정상으로 이루어질 수 있다. 만일, 비가공 영역에 대해 회전 미러(105)로 블로킹하지 않으면, 챔버 내벽 등에 레이저가 조사되어 파티클 발생의 원인이 될 수 있다. 즉, 회전 미러(105)는 대상물(OB) 가공 시 대상물(OB) 외의 챔버 영역 등에 레이저가 조사되지 않도록 블로킹할 수 있다.
특히, 본 발명은 대상물(OB)에 대한 레이저 스캔 중에 그 스캔 영역(조사 영역)이 비가공 영역인 경우(예를 들어, 라인을 변경하는 중의 시간인 BT 등)에서 레이저 스캔에 대한 멈출 없이 실시간으로 레이저 파워에 대한 체크/보정이 이루어지므로, 스캔 시간을 아껴 보다 효율적인 레이저 스캔이 가능하면서, 동시에 웨이퍼 또는 다이(die) 등의 대상물(OB)의 전체 가공 영역에 대한 가공 처리(표면 처리 등) 품질을 일정하게 유지할 수 있는 이점이 있다.
한편, 출력단의 광학계에 해당하는 종단 렌즈(109, 113) 및 미러(111)가 포함될 수 있으며, 이들은 회전 미러(105)의 후방에 배치될 수 있다.
종단 렌즈(109, 113)는 호모게나이저 광학계(130) 또는 마스크(140)를 통과한 레이저를 통과시키면서 해당 레이저를 광학적으로 가공할 수 있다. 즉, 종단 렌즈(109, 113)는 이미지 렌즈의 역할을 하며 일정 배율로 레이저 빔의 크기 감소시켜 대상물(OB)로 출사한다. 예를 들어, 종단 렌즈(109, 113)는 텔레센트릭 렌즈일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제1 종단 렌즈(109)를 통과한 레이저는 미러(111)에서 그 진행 경로가 변경되며, 제2 종단 렌즈(153)는 미러(111)에 의해 방향 전환된 레이저를 통과시키면서 최종 레이저를 대상물(OB)로 조사한다.
이때, 미러(111)는 종단 렌즈 1 및 2(109, 113)의 사이에 위치하여 레이저를 반사시킴으로써, 그 진행 경로를 바꿀 수 있다. 다만, 도 1에 도시된 바와 달리, 미러(111)는 필요에 따라 복수개가 마련되어, 레이저의 경로를 다양하게 바꿀 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스폭 조정기(160)의 구성도를 나타낸다.
미러(161, 163, 164)는 레이저 빔을 반사시키는 역할을 하며, 빔 분리기(162)는 레이저 빔의 에너지를 일정 비율로 분할(분리)하는 역할을 한다. 즉, 빔 분리기(162)는 일정 비율의 레이저 빔은 투과시키고 나머지는 반사시키는 역할을 한다. 예를 들어, 빔 분리기(162)는 레이저 빔의 38%를 반사시키고 62%를 투과시킬 수 있으며, 이러한 반사와 투과 비율은 변경될 수 있다.
어테뉴에이터 광학계(120)를 투과한 레이저 빔은 미러(161)에 반사되어 빔 분리기(162)로 입사된다. 이때, 빔 분리기(162)에서 레이저 빔 에너지의 38%가 반사되고, 레이저 빔의 62%는 투과될 수 있다. 투과된 레이저 빔은 미러(163)에 반사되고 미러(164)로 조사되며, 다시 반사되어 빔 분리기(162)로 입사된다. 마찬가지로, 빔 분리기(162)로 입사된 레이저 빔의 62%는 투과되고 38%는 반사되어, 상술한 동작이 수행될 수 있다.
예를 들어, 4J의 레이저 빔이 미러(161)에 반사되면 1.52J의 레이저 빔은 반사되고, 2.48J의 레이저 빔은 미러(163)과 미러(164)를 반사하여 다시 빔 분리기(162)로 조사된다. 이때, 2.48J의 62%인 1.54J는 투과하여 첫번째 반사된 1.52J과 합쳐지게 된다. 여기서, 합쳐진 첫번째 레이저 빔 1.52J과 두번째 레이저 빔 1.54J은 경로차에 의하여 시간적 차이를 가지게 된다.
한편, 경로차는 빔 분리기(162)와 미러(163) 거리, 미러(163)과 미러(164) 거리, 미러(164)와 빔 분리기(162) 거리의 모든 합을 의미한다. 이러한 중첩은 무한이 진행되나, 네번째 레이저 빔부터는 에너지가 작아 무시될 수 있다. 이러한 원리로 기존 레이저 빔이 가지고 있는 선폭보다 더 넓은 선폭으로 변화시킬 수 있다.
한편, 본 시스템(100)은 레이저에 대한 펄스폭 조절을 수행하는 펄스폭 조정기(Pulse stretcher)(160)를 더 포함할 수 있다. 이러한 펄스폭 조정기(160)는 레이저 광원부(101)와 어테뉴에이터 광학계(120)의 사이에 배치되거나, 어테뉴에이터 광학계(120)와 호모게나이저 광학계(130)의 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 펄스폭 조정기(160)는 링 캐비트(ring cavity) 펄스 조정기일 수 있다.
펄스폭 조정기(160)는 펄스폭 조절을 통해 호모게나이저 광학계(130)에서 발생되는 레이저의 간섭 무늬 또는 중첩 빔 크기에 영향을 줄 수 있다. 구체적으로, 펄스폭 조정기(160)는 레이저 빔의 이동거리를 조절하여 수 ns에서 수십 ns까지 펄스폭을 조정할 수 있다. 이를 통해 간섭 무늬가 최소화되는 조건을 설정하여 레이저의 균일도를 개선시킬 수 있다.
즉, 펄스폭 조정기(160)는 펄스폭 조절을 통해 시간적 지연을 기반으로 스펙클(speckle)을 감소시킨다. 이를 통해, 시간적 및 공간적 간섭성(coherence)으로 인한 레이저 빔들 간의 광학 간섭이 줄어들며, 그 결과 호모게나이저 광학계(130)의 레이저 빔의 간섭에 따른 간섭 무늬 또는 중첩 빔 크기가 줄어들면서, 레이저의 균일도가 개선될 수 있다. 이와 함께, 펄스폭 조정기(160)는 후방으로 전달되는 레이저의 순간적인 에너지 밀도를 감소시켜 광학계에 대한 손상을 줄일 수도 있다.
상술한 바와 같이 구성되는 본 발명은 발명은 어닐링(annealing) 등의 가공 처리를 위한 레이저 조사 시 레이저의 균일도 저하를 방지하기 위한 다양한 구조를 구비함으로써 레이저의 균일도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명은 레이저의 실시간 모니터링 및 보정이 가능하며, 보다 안정적인 레이저 운용이 가능한 이점이 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 청구범위 및 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
101: 레이저 광원부 103: 필드 렌즈
105: 회전 미러 107: 파워 미터
109, 113: 종단 렌즈 111: 미러
120: 어테뉴에이터 광학계 130: 호모게나이저 광학계
140: 마스크 141: 제1 부분
142: 제2 부분 142a: 빔 차단부
142b: 빔 관통부 150: 제어부
160: 펄스폭 조정기 OB: 대상물

Claims (14)

  1. 웨이퍼의 대상물로 레이저를 조사하여 대상물을 가공하는 시스템으로서,
    레이저를 출력하는 레이저 광원부;
    다수의 실린드리컬 렌즈 어레이(Cylindrical lens array)를 포함하거나 적어도 하나의 제1 마이크로 렌즈 어레이(Micro lens array)를 포함하여, 출력된 레이저를 균일화하는 호모게나이저 광학계; 및
    상기 호모게나이저 광학계의 전방에 배치되되, 상기 실린드리컬 렌즈 어레이 또는 상기 제1 마이크로 렌즈 어레이에 대해 광축을 회전 중심축으로 하여 회전된 각도를 가지도록 배치되는 제2 마이크로 렌즈 어레이;
    를 포함하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 마이크로 렌즈 어레이는 상기 회전된 각도에 따라 상기 호모게나이저 광학계에서 발생되는 레이저의 간섭 무늬 또는 중첩 빔 크기에 영향을 주는 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 마이크로 렌즈 어레이는 상기 간섭 무늬 또는 상기 중첩 빔 크기를 줄이도록 작용하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 마이크로 렌즈 어레이는 전방의 실린드리컬 렌즈 어레이 또는 전방의 제1 마이크로 렌즈 어레이에 대해 10˚ 내지 60˚의 회전된 각도를 가지는 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    균일화된 레이저에 대한 빔 단면 형상을 변경하는 마스크를 더 포함하는 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 마스크는,
    균일화된 레이저를 통과시키는 재질을 포함하는 제1 부분; 및
    상기 제1 부분의 후면에 위치하는 제2 부분;를 포함하며,
    상기 제2 부분은 균일화된 레이저가 통과하는 빔 관통부와, 후면에서 상기 빔 관통부의 가장자리 부분에 위치하고 단부로 갈수록 직경이 작아지는 테이퍼 형상을 가지는 빔 차단부를 포함하는 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 빔 차단부는 전방에서 입사되는 균일화된 레이저 또는 후방에서 입사되는 대상물에서의 반사 레이저에 대해 그 진행 방향을 변경하도록 작용하는 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 빔 차단부는 상기 진행 방향의 변경 작용에 의해 상기 균일화된 레이저가 대상물로 전달되는 것을 차단하거나 상기 반사 레이저가 상기 호모게나이저 광학계로 전달되는 것을 차단하는 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 빔 관통부와 빔 차단부는 동일한 재질로 이루어진 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제1 부분은 전면이 평면 형상인 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광원부와 상기 호모게이나이저 광학계의 사이에 배치되며, 레이저의 세기를 조절하는 어테뉴에이터(attenuator) 광학계;
    균일화된 레이저가 진행하는 광 경로 상에서 회전하되 회전 정도에 따라 레이저의 반사 여부를 결정하는 회전 미러; 및
    회전 미러에 의해 반사된 레이저의 파워를 측정하는 파워 미터;를 더 포함하며,
    상기 회전 미러는 대상물의 가공 영역 외 비가공 영역에 대한 레이저 조사 시 상기 파워 미터로 레이저를 반사시키도록 회전하며,
    상기 어테뉴에이터 광학계는 상기 파워 미터에서 측정된 결과에 따라 레이저의 세기를 조절하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 광원부와 상기 어테뉴에이터 광학계의 사이에 배치되거나, 상기 어테뉴에이터 광학계와 상기 호모게나이저 광학계의 사이에 배치되며, 레이저에 대한 펄스폭 조절을 수행하는 펄스폭 조정기를 더 포함하는 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 펄스폭 조정기는 상기 펄스폭 조절을 통해 레이저에 대한 시간적 지연을 기반으로 상기 호모게나이저 광학계에서 발생되는 레이저의 간섭 무늬 또는 중첩 빔 크기에 영향을 주는 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 펄스폭 조정기는 상기 간섭 무늬 또는 상기 중첩 빔 크기를 줄이도록 작용하는 시스템.
KR1020210165489A 2021-11-26 2021-11-26 반도체용 광학계 시스템 KR20230078081A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210165489A KR20230078081A (ko) 2021-11-26 2021-11-26 반도체용 광학계 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210165489A KR20230078081A (ko) 2021-11-26 2021-11-26 반도체용 광학계 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230078081A true KR20230078081A (ko) 2023-06-02

Family

ID=86755850

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210165489A KR20230078081A (ko) 2021-11-26 2021-11-26 반도체용 광학계 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230078081A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11759886B2 (en) Laser line illumination
JP5963219B2 (ja) 微小レンズアレイを使用してラインを生成する光学設計
US8737438B2 (en) Systems and methods for implementing an interaction between a laser shaped as line beam and a film deposited on a substrate
US7763828B2 (en) Laser thermal processing with laser diode radiation
JP4964882B2 (ja) 光ビーム整形装置
KR102080613B1 (ko) 레이저 어닐링 장치 및 그 어닐링 방법
US7277188B2 (en) Systems and methods for implementing an interaction between a laser shaped as a line beam and a film deposited on a substrate
US20090095724A1 (en) Laser thermal processing with laser diode radiation
US9343307B2 (en) Laser spike annealing using fiber lasers
US10437072B2 (en) Line beam forming device
WO2019149352A1 (en) Laser diode based line illumination source and laser line illumination
CA2953156A1 (en) Optical beam conditioning device with coherence-breaking and beam transforming modules
US11768362B2 (en) Laser radiation system and method for manufacturing electronic device
JP6614882B2 (ja) レーザラインジェネレータのための導光体ベースの光学システム
KR20230078081A (ko) 반도체용 광학계 시스템
US9625727B2 (en) Device for homogenizing a laser beam
KR20220059664A (ko) 레이저 모니터링이 가능한 레이저 조사 장치 및 방법
US11219116B1 (en) Extreme ultraviolet light generation system and electronic device manufacturing method
Apeksimov et al. Post-filamentation light channels in air
Bollanti et al. Edge steepness and plateau uniformity of a nearly flat-top-shaped laser beam
KR102647965B1 (ko) 전력 반도체 소자의 어닐링 시스템
CN113552723A (zh) 用于形成线束的设备
CN110574244A (zh) 泵浦激光辐射的均匀化
WO2023102756A1 (en) Systems and methods for fluid or structure surface disinfection using deep uv picosecond laser
KR20180104913A (ko) 레이저 어닐링 장치 및 레이저 어닐링 방법

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application