KR20240006068A - 작업 평면에 규정된 레이저 조명을 생성하기 위한 장치 - Google Patents

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KR20240006068A
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안드레아스 하이메스
다니엘 플람
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트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하
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Abstract

작업 평면(50)에서 규정된 레이저 조명을 생성하기 위한 장치는 제 1 각도 스펙트럼(26)을 갖는 원시 레이저 빔(14)을 생성하도록 설계된 레이저 광원(12)을 포함한다. 광학 어셈블리(64)는 원시 레이저 빔(14)을 수광하여 이를 광학 축(20)을 따라 조명 빔(48)으로 변환한다. 조명 빔(48)은 작업 평면(50)과 교차하는 빔 방향(52)을 규정한다. 광학 어셈블리(64)는 광학 축(20)을 따라 서로 규정된 간격(42)으로 배치된 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(38, 40)를 포함한다. 규정된 간격(42)은, 조명 빔(48)이 작업 평면(50)의 영역에서 복수의 개별 조명 스팟(46)을 포함하는 조명 빔 프로파일(47)을 갖도록 선택된다. 광학 어셈블리(64)는 광학 축(20)을 따라 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(38, 40) 앞에 배치된 빔 성형 소자(24, 60)를 더 포함한다. 빔 성형 소자(24, 60)는 제 1 각도 스펙트럼(26)과는 상이한 제 2 각도 스펙트럼(32)을 생성한다.

Description

작업 평면에 규정된 레이저 조명을 생성하기 위한 장치
본 발명은 제 1 각도 스펙트럼을 갖는 원시 레이저 빔을 생성하도록 설계된 레이저 광원 및 원시 레이저 빔을 수광하여 광학 축을 따라 조명 빔으로 변환하는 광학 어셈블리를 포함하고, 상기 조명 빔은 작업 평면과 교차하는 빔 방향을 규정하고, 상기 광학 어셈블리는 광학 축을 따라 서로 규정된 간격으로 배치된 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이를 포함하고, 상기 규정된 간격은, 조명 빔이 작업 평면의 영역에서 다수의 개별 조명 스팟을 포함하는 조명 빔 프로파일을 갖도록 선택되는, 작업 평면에 규정된 레이저 조명을 생성하기 위한 장치에 관한 것이다.
이러한 장치는 DE 10 2018 211 972 B4호에 공개되어 있다.
공작물을 가공하기 위해, 작업 평면에 규정된 레이저 조명을 필요로 하는 경우가 많다. 공작물은 예를 들어, 캐리어로서 이용되는 유리 플레이트 상의 플라스틱 재료일 수 있다. 플라스틱 재료는 예를 들어, 유기 발광 다이오드, 소위 OLED, 및/또는 박막 트랜지스터가 제조되는 필름일 수 있다. OLED 필름은 스마트폰, 태블릿 PC, TV 및 디스플레이 스크린이 있는 기타 장치의 디스플레이에서의 사용이 증가하고 있다. 전자 구조들의 제조 후에 유리 캐리어로부터 필름이 분리되어야 한다. 이는 바람직하게, 규정된 속도로 유리 플레이트에 대해 이동하여 유리 플레이트를 통한 필름의 접착 연결을 분리하는 레이저 조명으로 수행될 수 있다. 일부 경우에 레이저 조명은 얇은 레이저 라인일 수 있다. 실제로 이러한 응용예는 주로 LLO 또는 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off)라고 한다.
규정된 레이저 라인으로 공작물이 조명되는 다른 응용예는 캐리어 플레이트 상의 비정질 실리콘을 라인별로 용융시키는 것이다. 레이저 라인은 여기에서도 규정된 속도로 공작물 표면에 대해 이동한다. 용융으로 인해 비교적 저렴한 비정질 실리콘은 고품질의 다결정 실리콘으로 변환될 수 있다. 이러한 응용예는 실제로 종종 엑시머 레이저 어닐링(Excimer Laser Annealing) 또는 ELA라고 한다. ELA 공정에서는 캐리어 플레이트 상의 비정질 실리콘이 거의 완전히 용융되고, 냉각되면서 수직 방향으로 결정화된다. 이러한 공정은 매우 에너지 집약적이고, 실리콘을 위한 가공 윈도우는 매우 작으며 레이저 라인의 균질성과 출력 안정성에 대한 요구가 높다. 캐리어 플레이트 상의 비정질 실리콘을 더 고품질의 다결정 실리콘으로 변환하기 위한 대안적인 방법은 2개의 출판물, 즉 "Advances in excimer laser annealing for LTPS manufacturing", 49-3 IMID 2009 DIGEST 및 "17-4: New Technology for Creation of LTPS with Excimer Laser Annealing", Asia Display/IMID 04 Proceedings(Ludolf Herbst, Frank Simon et al.)에 공개되어 있다. 대안적인 방법은 연속 측면 고상화(Sequential Lateral Solidification) 또는 SLS라고 하며 비정질 실리콘을 국부적으로 선택적으로 용융시키는 구조화된 레이저 빔을 사용하고, 이 경우 용융되지 않은 주변 영역에서부터 측방향으로 결정화가 시작된다. 레이저의 빔 경로에 있는 마스크에 의해 가공 표면에 주기적인 구조가 생성된다.
규정된 레이저 조명에 대한 추가 응용예는 소위 레이저 유도 순방향 이송(Laser Induced Forward Transfer; LIFT), 즉 추후 디스플레이로 분리 및 개별화된 마이크로 LED(μLED)의 전송과 같이 이미 분리된 반도체 소자들을 다른 캐리어로 전송하는 것 및 레이저 절단 또는 레이저 펀칭 공정도 포함한다. 공작물과 응용예에 따라 작업 평면에서 개별적으로 규정된 레이저 조명이 필요하다.
WO 2018/019374 A1호는 작업 평면에서 규정된 레이저 라인을 생성할 수 있는 장치를 개시한다. 장치는 원시 레이저 빔을 시준하는 시준기뿐만 아니라 빔 변환기, 균질화기 및 포커싱 스테이지도 포함한다. 빔 변환기는 시준된 원시 빔을 수광하여 이를 빔 방향을 가로지르는 방향으로 확장한다. 원칙적으로 빔 변환기는 다수의 레이저 소스로부터 다수의 원시 레이저 빔을 수광하고 결합하여, 더 높은 출력의 확장된 레이저 빔을 형성할 수도 있다. 균질화기는 확장된 레이저 빔이 긴 방향으로 균질화되는 하나 이상의 멀티 렌즈 어레이를 가질 수 있으므로, 긴 축에서 가능한 한 사각형[탑햇(tophat)형]의 강도 곡선을 얻는다. 포커싱 스테이지는 변환된 레이저 빔을 작업 평면 영역의 규정된 위치로 포커싱한다. 공개된 장치는 일반적으로 LLO 및 SLA 응용예에 적합하다. 그러나 장치는, 예를 들어 μLED의 분리와 같은 일부 특수한 LLO 응용예에는 적합하지 않다. 그러한 경우에, 각각 탑햇형의 별도의 다수의 강도 프로파일을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 예를 들어, 탑햇형의 다수의 개별 강도 프로파일이 라인을 따라 등거리로 서로 나란히 배열되는 배치가 바람직할 수 있다. WO 2018/019374 A1호의 장치는 이러한 레이저 조명을 제공하지 않는다.
전술한 DE 10 2018 211 972 B4호는 라인을 따라 또는 표면에 걸쳐 분포된 다수의 개별 조명 스팟을 갖는 빔 프로파일을 생성하기 위한 광학 어셈블리를 개시한다. 어셈블리는 각각 균일한 구경(a)을 갖는 서로 나란히 배치된 마이크로렌즈가 있는 다수의 마이크로렌즈 어레이 및 후속 푸리에 렌즈 어셈블리도 포함한다. 또한, 광학 어셈블리는 마이크로렌즈 어레이 중 적어도 일부 마이크로렌즈 어레이들 사이의 상호 간격을 조정할 수 있는 조정 메커니즘을 갖는다. 이로써 전체 마이크로렌즈 어레이의 유효 초점 거리가 설정될 수 있다. 조정 메커니즘은 선택 가능한 다수의 조정 위치를 갖고, 상기 위치에서 비율
은 적어도 대략 자연수이며, 이 경우 a는 개별 마이크로렌즈의 균일한 구경이고, λ는 레이저 빔의 평균 파장이고, fML,i는 조정 위치 i에 의해 설정된 전체 마이크로렌즈 어레이의 유효 초점 거리 fML이다.
공개된 어셈블리는, 레이저 빔으로 생성된 조명 스팟의 개수를 변경하는 것을 가능하게 하고, 이 경우 균일한 강도 분포가 얻어진다. 그러나 개별 조명 스팟에서 작업 평면상의 레이저 조명의 각각의 강도 곡선은 더 이상 변경될 수 없다. 이러한 관점에서, 공작물의 가공시 훨씬 더 큰 융통성을 가능하게 하기 위해, 전술한 유형의 장치를 개선하는 요구가 있다. 개별 조명 스팟의 개수뿐만 아니라 크기도 변경할 수 있는 것이 특히 바람직하다. 따라서 본 발명의 과제는, 더 가변적인 멀티 스팟 조명의 효율적인 생성을 가능하게 하는 전술한 유형의 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 양상에 따르면, 광학 어셈블리가 빔 성형 소자를 더 포함하고, 상기 빔 성형 소자는 광학 축을 따라 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이 앞에 배치되고, 상기 빔 성형 소자는 제 1 각도 스펙트럼과 상이한 제 2 각도 스펙트럼을 생성하는, 전술한 유형의 장치가 제안된다.
기존의 가정과 달리, 작업 평면의 영역에서 빔 프로파일을 추가로 변경할 수 있도록 하기 위해, 마이크로 렌즈 어레이 앞에서 빔 성형이 매우 바람직하게 사용될 수 있음이 입증되었다. 마이크로렌즈 어레이 앞에서 빔 성형은, 레이저 빔이 마이크로렌즈 어레이를 사용하여 다수의 부분 빔으로 분할되기 전에, 레이저 빔에 "중앙"에 작용하기 때문에, 저렴하고 효율적이다. 여기서 "마이크로렌즈 어레이 앞"이란, 레이저 광원과 개별 조명 스팟을 생성하는 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이 사이에 광학 축을 따라 빔 성형 소자가 배치되는 것을 의미한다. 따라서 빔 성형 소자는 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이의 상류에 위치한다. 마이크로렌즈 어레이를 사용하여 생성된 각각의 조명 스팟은 마이크로렌즈 조명의 각도 스펙트럼을 나타내는 것으로 입증되었다. 따라서, 여기에서 원거리장 빔 성형은 바람직하게 빔 경로에서 이미 초기에, 즉 마이크로렌즈 어레이 앞에서 수행된다. 바람직한 제 2 각도 스펙트럼을 갖는 레이저 빔은 마이크로렌즈 어레이에 의해 효율적인 방식으로 분할되고, 바람직한 제 2 각도 스펙트럼은 다수의 개별 조명 스팟으로 복제된다.
따라서 신규 장치는 다수의 조명 스팟의 생성과 관련하여 추가 자유도를 갖는다. 마이크로렌즈 어레이 앞에서 빔 형성에 의해 조명 스팟의 각도 스펙트럼이 설정될 수 있다. 이로써 특히, 작업 평면상의 조명 스팟의 각각의 범위와 형태를 변경하거나 설정하는 것이 가능하다. 상기 과제는 완전히 해결된다.
바람직한 실시예에서, 제 2 각도 스펙트럼은 탑햇형의 강도 프로파일을 갖는다.
탑햇형의 강도 프로파일은, 작업 평면상의 가공 지점을 명확하게 제한하기 때문에 많은 응용예에서 바람직하다. 이것은 미세 구조의 생성 및/또는 섬세한 가공을 가능하게 하며, 다수의 가공 위치에서 국부적 용융 또는 국부적 절단 공정과 같이, 좁은 공간에서 동시 표면 가공에 특히 적합하다. 마이크로렌즈 어레이 앞에서 중앙 빔 성형은 여기서 바람직하게, 다수의 조명 스팟에 대해 균일한 탑햇형의 강도 프로파일을 생성하기 위해 이용된다.
다른 실시예에서, 제 1 각도 스펙트럼은 광학 축에 대해 수직인 평면에 제 1 풋 프린트를 갖고, 제 2 각도 스펙트럼은 광학 축에 대해 수직인 다른 평면에 제 1 풋 프린트와는 상이한 제 2 풋 프린트를 갖는다.
풋 프린트는 레이저 빔으로 생성된 조명 스팟의 윤곽을 나타낸다. 따라서 풋 프린트는 특히 빔 방향에 대해 수직이거나 광학 축에 대해 수직인 평면에서 조명 스팟의 기하학적 형상을 나타낸다. 풋 프린트는 또한 평면상의 생성된 조명 스팟의 표면적을 나타낸다. 바람직한 실시예에서, 제 1 풋 프린트와 제 2 풋 프린트는 각각의 기하학적 형상 및/또는 표면적과 관련해서 서로 다를 수 있다. 이러한 설계는 작업 평면상의 조명 스팟의 범위와 형상을 효율적으로 설정하는 것을 가능하게 한다.
다른 실시예에서, 제 2 풋 프린트는 다각형, 특히 사각형, 오각형, 육각형 또는 팔각형이다. 일부 바람직한 실시예에서, 제 2 풋 프린트는 1의 범위 내의, 특히 각각을 포함하는 0.9 내지 1.1 사이의 종횡비(최대 길이 대 최대 폭)를 갖는다. 따라서, 일부 바람직한 실시예에서, 제 2 풋 프린트는 정사각형일 수 있다. 이러한 설계는 다양한 응용예에서 공작물의 정확하고 효율적인 가공을 가능하게 하며, 특히 신규 장치가 효율적인 방식으로 제공하는 새로운 자유도의 장점을 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 광학 어셈블리는 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이 중 적어도 하나의 마이크로렌즈 어레이를 광학 축을 따라 조정할 수 있는 조정 메커니즘을 포함한다. 바람직하게는, 광학 어셈블리는 광학 축을 따라 마이크로렌즈 어레이 이후에 배치된 푸리에 렌즈 배열체를 더 갖는다.
조정 메커니즘을 사용해서 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이 사이의 상호 간격은 선택적으로 및 가변적으로 설정될 수 있다. 따라서 이러한 설계는 작업 평면상의 개별 조명 스팟의 개수의 다양한 설정을 가능하게 한다. 바람직하게 조정 메커니즘은 선택 가능한 다수의 조정 위치를 가지며, 상기 조정 위치에서 비율
은 적어도 대략 자연수이고, 여기서 a는 마이크로렌즈 어레이의 개별 마이크로렌즈의 균일한 구경이고, λ는 원시 레이저 빔의 평균 파장이고, fML,i는 각각의 조정 위치 i에 의해 설정된 전체 마이크로렌즈 어레이의 유효 초점 거리 fML이다. 적어도 대략이란, 비율이 각각을 포함하는 0.8Ni 내지 1.2Ni 사이이고, 여기서 Ni는 각각의 자연수이다. 이러한 설계는 전술한 DE 10 2018 211 972 B4호의 광학 어셈블리가 제공하는 융통성 있는 가능성의 바람직한 활용을 가능하게 한다. 따라서 DE 10 2018 211 972 B4호는 이러한 설계의 구현 가능성과 관련하여 참조로 여기에 포함된다.
다른 실시예에서, 빔 성형 소자는 광학 축을 가로지르는 방향으로 원시 레이저 빔을 확장하는 빔 변환기를 포함한다. 일부 실시예에서, 빔 변환기는 파월(Powell) 렌즈를 포함할 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 빔 변환기는 대향하는 표면이 미러링 처리된 유리 바디를 포함할 수 있으므로, 비스듬하게 입사하는 레이저 빔이 유리 바디에서 여러 번 왕복 반사되고, 한 방향으로 확장된다.
파월 렌즈는, 회전 대칭의 가우시안 강도 분포로부터 라인을 따라 거의 균일한 강도 분포를 갖는 선형 빔 프로파일을 생성할 수 있는 렌즈이다. 가우시안 강도 분포는 이에 대해 수직으로 유지된다. 빔 변환기는 또한 본 명세서에 참고로 포함된 전술한 WO 2018/019374 A1호에 설명된 빔 변환기일 수 있다. 이러한 설계의 빔 성형 소자는 규정된 라인을 따른 다수의 개별 조명 스팟을 가능하게 한다. 일부 실시예에서 라인은, 작업 평면에 조명 빔의 빔 방향에 대해 비스듬하게 선형 빔 프로파일을 생성하기 위해, 광학 축에 대해 수직이 아니라 비스듬하게 배치될 수 있다.
다른 실시예에서, 빔 성형 소자는 회절 광학 소자(DOE)를 포함한다.
회절 광학 소자는 광 회절의 원리를 기반으로 하는 빔 성형 소자이다. 일반적으로 회절 광학 소자는 회절 구조가 배치된 유리 캐리어를 포함한다. 회절 구조는 간섭을 야기한다. 회절 광학 소자에 의해 원하는 제 2 각도 스펙트럼이 매우 다양한 방식으로 고품질로 생성될 수 있다. 또한, 빔 에너지는 대부분 작업 평면을 조명하는 데 이용된다. 이러한 이유로 회절 광학 소자는 특히 효율적인 구현을 가능하게 한다.
다른 설계에서, 빔 성형 소자는 공간 필터를 포함한다.
공간 필터는 일반적으로 대물렌즈와 빔 경로에 대물렌즈 뒤에 배치된 조리개를 포함한다. 조리개를 사용해서 원하는 제 2 각도 스펙트럼이 다양한 방법으로 생성될 수 있다. 대물렌즈는, 조리개가 효율적으로 조명되는 것을 보장한다. 따라서 마이크로렌즈 어레이 앞의 공간 필터는 매우 다양하고 저렴한 빔 성형을 가능하게 한다.
다른 설계에서, 빔 성형 소자는 선택적으로 광학 축에 도입될 수 있다.
이러한 설계는 규정된 레이저 조명의 생성시 특히 뛰어난 융통성을 제공한다. 빔 성형 소자는 여기에서 조정 메커니즘에 결합되며, 상기 조정 메커니즘은 빔 성형 소자를 광학 어셈블리의 빔 경로 내에 완전히 또는 부분적으로 도입하거나 상기 빔 경로에서 제거하는 것을 가능하게 한다. 따라서 조명 빔 프로파일은 선택적으로 목표대로 변경될 수 있다. 일부 실시예에서, 장치는 다수의 빔 성형 소자를 가지며, 상기 빔 성형 소자 각각은, 제 2 각도 스펙트럼을 생성하도록 설계되고, 제 2 각도 스펙트럼들은 서로 상이하다. 이러한 실시예에서, 다수의 빔 성형 소자 중 하나는 선택적으로 광학 어셈블리의 빔 경로에 도입될 수 있다. 예를 들어, 이러한 설계의 (각각의) 빔 성형 소자는 광학 어셈블리의 빔 경로에 삽입 및/또는 선회될 수 있다.
물론, 전술한 그리고 아래에 설명할 특징들은 각각의 명시된 조합으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 다른 조합으로 또는 그 자체로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들이 도면에 도시되며, 이하의 설명에 자세히 설명된다.
도 1은 신규 장치의 제 1 실시예를 간단하게 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 신규 장치의 다른 실시예를 간단하게 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 신규 장치의 다른 실시예를 간단하게 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 일부 바람직한 실시예에 따라 다결정 실리콘의 용융시 레이저 조명의 바람직한 궤적을 도시한 도면.
도 1에서, 신규 장치의 실시예는 전체적으로 도면 부호 10으로 표시되어 있다. 장치(10)는 원시 레이저 빔(14)을 생성하는 레이저 광원(12)을 포함한다. 레이저 광원(12)은 시준기(도시되지 않음)를 포함할 수 있어서, 원시 레이저 빔(14)은 시준된 원시 레이저 빔일 수 있다.
원시 레이저 빔(14)은 광학 축(20)을 따라 배치된 제 1 렌즈(16)와 후속 제 2 렌즈(18)를 조명한다. 여기서는 광학 축(20)을 따라 렌즈(16, 18) 사이에 조리개(22)가 배치된다. 여기서 조리개(22)는 렌즈(16, 18)와 함께 공간 필터(24)를 형성한다. 원시 레이저 빔(14)은 도면 부호 26으로 표시되고 가우시안 강도 프로파일로서 도시된 제 1 각도 스펙트럼을 갖는다. 광학 축(20)에 대해 수직인 (가상) 평면(28)에서, 제 1 각도 스펙트럼(26)을 갖는 원시 레이저 빔(14)은 여기에서 예를 들어 원형 풋 프린트(30)를 생성한다.
공간 필터(24)로 인해, 레이저 빔은 렌즈(18) 이후에 변경된 제 2 각도 스펙트럼(32)을 가지며, 이 각도 스펙트럼은 여기에서 예를 들어 평면(34) 내의 탑햇형의 강도 프로파일로서 도시된다. 일부 바람직한 실시예에서, 장치(10)는 2f-구조를 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 평면(34)은 간단함을 위해 도 1에 도시된 것과 다른 위치에 있을 수 있다. 변경된 제 2 각도 스펙트럼(32)을 갖는 레이저 빔은 렌즈(18) 뒤에 제 2 풋 프린트(36)를 생성하며, 상기 제 2 풋 프린트는 여기에서 예를 들어 정사각형으로 도시되어 있다.
제 2 각도 스펙트럼(32)을 갖는 레이저 빔은 여기에서 광학 축(20)을 따라 서로 규정된 간격(42)으로 배치된 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(38, 40)를 갖는 어셈블리를 조명한다. 각각의 마이크로렌즈 어레이(38, 40)는 다수의 마이크로렌즈를 가지며, 상기 마이크로렌즈는 바람직하게 각각 동일한 구경(a)을 갖는다. 도시된 실시예에서, 광학 어셈블리는 광학 축(20)을 따른 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(38, 40) 사이의 상대 간격(42)을 변경할 수 있는 조정 메커니즘(44)을 갖는다. 바람직한 실시예에서, 조정 메커니즘은 미리 규정된 다수의 조정 위치를 갖고, 상기 조정 위치들로 각각 간격(42)이 설정되며, 상기 간격에서 비율
은 적어도 대략 자연수이고, 이 경우 a는 마이크로렌즈 어레이(38, 40)의 개별 마이크로렌즈의 균일한 구경이고, λ는 원시 레이저 빔(14)의 평균 파장이고, fML,i는 각각의 조정 위치(i)에 의해 설정된 전체 마이크로렌즈 어레이의 유효 초점 거리(fML)이다. 적어도 대략이란, 비율이 각각을 포함해서 0.8Ni 내지 1.2Ni 사이이고, 여기서 Ni는 각각 자연수이다.
간격(42)을 변경함으로써, 마이크로렌즈 어레이(38, 40) 전체의 유효 초점 거리(fML)가 변경된다. 전술한 비율에 따라 간격을 적절하게 설정함으로써, 작업 평면(50) 상의 조명 빔(48)의 멀티 스팟 빔 프로파일(47) 내의 조명 스팟(46)의 개수가 설정될 수 있다. 작업 평면(50)은 여기서 조명 빔(48)의 빔 방향(52)에 대해 수직으로 배치된다. 그러나 상기 작업 평면은 빔 방향(52)에 대해 비스듬하게 놓일 수도 있다. 바람직하게는, 장치(10)는 본 명세서에 참고로 포함된 DE 10 2018 211 972 B4호에 개시된 어셈블리들 중 하나의 어셈블리의 마이크로렌즈 어레이(38, 40)를 사용한다. 조명 스팟(46)은 여기에서, 빔 방향(52)을 가로질러 연장되는 라인을 따라 나란히 배치된다(여기서는 x축이라고 함). 장치(10)의 일부 바람직한 응용예에서 멀티 스팟 빔 프로파일(47)은, 도 4를 참조하여 아래에서 더 자세히 설명된 바와 같이, 조명 스팟(46)의 라인을 가로질러 그리고 빔 방향(52)을 가로질러 작업 평면(50)에 대해 이동될 수 있다.
도 2는 여기서 도면 부호 10'으로 표시된 신규 장치의 다른 실시예를 도시한다. 그밖에 동일한 도면 부호는 이전과 동일한 요소를 나타낸다. 장치(10)는 원시 레이저 빔을 광학 축(20)을 가로지르는 방향으로 확장하는 빔 변환기(54)를 갖는다. 일부 실시예에서, 빔 변환기는 파월(Powell) 렌즈를 포함할 수 있다. 대안으로서 또는 추가로 빔 변환기는, 원시 레이저 빔(14)이 유리 바디에서 여러 번 왕복 반사되어 광학 축(20)을 가로질러 확장되는, 각각 미러링 처리된 전면(56)과 후면(58)을 갖는 유리 바디를 포함할 수 있다. 이러한 빔 변환기는 본 명세서에 참조로 포함된 전술한 WO 2018/019374 A1호에 설명되어 있다. 대안으로서 또는 추가로 빔 변환기는 파월 렌즈를 포함할 수 있다. 어떤 경우든, 원시 레이저 빔(14)은 여기에서 광학 축(20)에 대해 수직인 그리고 이 경우에 관찰 평면에 대해 수직인 방향으로 확장되어, 작업 평면(50)에서 빔 프로파일은 관찰 평면에 대해 수직으로 선형 구조를 갖는다. 마이크로렌즈 어레이(38, 40)의 마이크로렌즈는 이러한 경우에 원통형 렌즈일 수 있다. 대안으로서, 마이크로렌즈 어레이(38, 40)의 마이크로렌즈 각각은 2차원 렌즈 어레이의 회전 대칭 렌즈일 수 있다. 이러한 배치는, 2차원 배치에서 다수의 조명 스팟을 갖는 조명 빔 프로파일을 생성하는 것을 가능하게 한다.
여기서 도면 부호 60은 (확장된) 원시 레이저 빔(14)의 빔 경로에, 즉 광학 축(20)을 따른 위치에 선택적으로 삽입될 수 있는 회절 광학 소자를 나타낸다. 도면 부호 60'은 소자(60) 대신에 또는 소자(60)에 추가하여 빔 경로에 삽입될 수 있는 대안적인 회절 광학 소자를 나타낸다. 이를 위해, 회절 광학 소자(60, 60')는 조정 메커니즘(62, 62')에 결합된다.
도 3은 여기서 도면 부호 10"으로 표시된 신규 장치의 다른 바람직한 실시예를 도시한다. 그밖에 동일한 도면 부호는 이전과 동일한 요소를 나타낸다. 도 3의 상부 부분은 여기에서 x축으로 지칭되는 긴 축에서 멀티 스팟 빔 프로파일(47)에 대한 빔 성형을 도시한다. 도 3의 하부 부분은 여기에서 y축으로 지칭되는 짧은 축에서 빔 성형을 도시한다. 장치(10")는 도 1의 실시예에 따라 공간 필터(24)를 갖는다. 공간 필터(24)에 대한 대안으로서 또는 추가적으로, 장치(10")는 원시 레이저 빔(14)의 각도 스펙트럼을 변경하기 위해 도 2의 실시예에 따라 DOE를 가질 수 있다. 변경된 각도 스펙트럼을 갖는 원시 레이저 빔은 여기에서 빔 변환기(54)에 부딪히고, 상기 빔 변환기는 긴 축에서 원시 레이저 빔을 확장한다. x축에서 확장된 레이저 빔은 빔 방향으로 차례로 배치된 마이크로렌즈 어레이(38, 40)를 조명하며, 상기 마이크로렌즈 어레이는 바람직하게 여기에서도 가변적으로 설정 가능한 간격(42)으로 광학 축을 따라 배치된다. 또한, 장치(10")는 여기에서 주로 긴 축에서 빔 프로파일에 영향을 미치는 원거리 이미징을 위한 제 1 렌즈 또는 렌즈 그룹(66)과 주로 짧은 축에서 빔 프로파일에 주로 영향을 미치는 제 2 렌즈 또는 렌즈 그룹(68)을 갖는다.
빔 성형 소자(24)는 제 1 마이크로렌즈 어레이(38)가 조명되는 각도 스펙트럼을 변경한다. 마이크로렌즈 어레이(38) 앞에서 각도 스펙트럼을 축소함으로써, 조명 스팟(46)의 폭이 x축의 방향으로 감소할 수 있다. y축 방향으로 개별 조명 스팟(46)의 길이는 중간 이미지 조리개에 의해 및/또는 빔 변환기(54)를 이용해서 설정될 수 있다. 빔 방향으로 마이크로렌즈 어레이(38, 40) 후에 배치된 렌즈 또는 렌즈 그룹(66, 68)을 사용하여 각도 스펙트럼을 이미징하고 축소/확대함으로써, 개별 조명 스팟(46) 사이의 측면 간격이 x축을 따라 스케일링될 수 있다. 또한, 작업 평면상의 모든 조명 스팟(46)의 전체 위치는 마이크로렌즈 어레이(38, 40) 전 및/또는 후의 레이저 빔의 조준(pointing)을 통해 설정될 수 있다.
도 4는 캐리어 플레이트 상의 비정질 실리콘을 더 높은 품질의 다결정 실리콘으로 변환하기 위한 방법에서 장치(10, 10' 또는 10")의 바람직한 용도를 도시한다. 바람직한 용도는 전술한 SLS 방법을 기반으로 한다. 제안(Ludolf Herbst, Frank Simon et al.)에 따른 장치와 달리, 구조화된 레이저 조명은 여기에서 마이크로렌즈 어레이(38, 40)에 의해 달성되며, 상기 마이크로렌즈 어레이는 선택된 간격(42)에 따라 작업 평면에서 멀티 스팟 빔 프로파일(47)을 가능하게 한다. 도 4에 따라, 긴 축에서 서로 이격된 조명 스팟(46)을 갖는 멀티 스팟 빔 프로파일(47)은 화살표(70)의 방향으로 작업 평면(50)에 대해 이동된다. 작업 평면(50)에서 바람직하게 비정질 실리콘(72)은 캐리어 플레이트 상에 배치될 수 있다. 비정질 실리콘(72)은 조명 스팟(46)을 이용해서 국부적으로 선택적으로 용융되고, 냉각시 측방향으로, 즉 실질적으로 작업 평면(50)에 대해 평행하게 결정화될 수 있다. 따라서 다수의 결정화 셀(76)을 갖는 다결정 실리콘(74)은 이동 방향(70)으로 멀티 스팟 빔 프로파일(47) 뒤에 형성된다. 바람직하게 멀티 스팟 빔 프로파일(47)은 지그재그 경로에서 이동 방향으로 안내되고, 상기 경로는 도 4에서 도면 부호 78로 표시되어 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 지그재그 경로(78) 상의 멀티 스팟 빔 프로파일(47)의 횡방향 이동은 x-축을 따른 또는 멀티 스팟 빔 프로파일(47)의 연장 방향을 따른 2개의 인접한 조명 스팟(46) 사이의 측면 간격(80)에 대응한다. 다른 실시예에서 멀티 스팟 빔 프로파일(47)은, 2개의 인접한 조명 스팟(46) 사이의 측면 간격(80)보다 크거나 작은 교번의 가로 방향 성분에 의해 이동 방향(70)으로 이동될 수 있다.
요약하면, 신규 장치의 실시예는 공간 필터(24) 또는 원시 레이저 빔(14)의 빔 경로에 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(38, 40)를 갖는 배열체 앞에 배치된 회절 광학 소자(60)와 같은 빔 성형 소자가 있는 광학 어셈블리(64)를 포함한다. 전술한 빔 성형 소자에 대한 대안으로서 또는 추가로, 빔 성형 소자는 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(38, 40)를 갖는 배열체 앞에 액시콘(axicon) 또는 프리폼 렌즈를 포함할 수 있다. 마이크로렌즈 어레이(38, 40) 이후에 추가 광학 소자들, 특히 하나 이상의 푸리에 렌즈(여기에는 도시되지 않음)와 도 3에 도시된 렌즈/렌즈 그룹(66, 68)이 후속할 수 있다. 빔 성형 소자는 원시 레이저 빔(14)의 각도 스펙트럼(26)을 변경하여, 변경된 각도 스펙트럼(32)을 갖는 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(38, 40)를 갖는 배열체가 조명된다. 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(38, 40)는 광학 축(20)을 따라 간격(42)으로 배치되며, 상기 간격은, 작업 평면(50)에서 빔 방향(52)을 가로질러 다수의 개별 조명 스팟(46)이 생성되도록 선택된다. 각각의 조명 스팟(46)은 변경된 각도 스펙트럼(32)을 갖는다.

Claims (11)

  1. 작업 평면(50)에서 규정된 레이저 조명을 생성하기 위한 장치로서, 제 1 각도 스펙트럼(26)을 갖는 원시 레이저 빔(14)을 생성하도록 설계된 레이저 광원(12) 및 상기 원시 레이저 빔(14)을 수광하여 광학 축(20)을 따라 조명 빔(48)으로 변환하는 광학 어셈블리(64)를 포함하고, 상기 조명 빔(48)은 상기 작업 평면(50)과 교차하는 빔 방향(52)을 규정하고, 상기 광학 어셈블리(64)는 상기 광학 축(20)을 따라 서로 규정된 간격(42)으로 배치된 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(38, 40)를 포함하고, 상기 규정된 간격(42)은, 상기 조명 빔(48)이 상기 작업 평면(50)의 영역에서 복수의 개별 조명 스팟(46)을 포함하는 조명 빔 프로파일(47)을 갖도록 선택되는 것인 장치에 있어서,
    상기 광학 어셈블리(64)는 빔 성형 소자(24; 60)를 더 포함하고, 상기 빔 성형 소자는 상기 광학 축(20)을 따라 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(38, 40) 앞에 배치되고, 상기 빔 성형 소자(24; 60)는 상기 제 1 각도 스펙트럼(26)과는 상이한 제 2 각도 스펙트럼(32)을 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 각도 스펙트럼(32)은 탑햇(tophat)형의 강도 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 각도 스펙트럼(26)은 상기 광학 축(20)에 대해 수직인 평면(28)에 제 1 풋 프린트(30)를 갖고, 상기 제 2 각도 스펙트럼(32)은 상기 광학 축(20)에 대해 수직인 다른 평면(34)에 상기 제 1 풋 프린트(30)와는 상이한 제 2 풋 프린트(36)를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 풋 프린트(36)는 다각형인 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 어셈블리(64)는, 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(38, 40) 중 적어도 하나의 마이크로렌즈 어레이(40)를 상기 광학 축(20)을 따라 조정할 수 있는 조정 메커니즘(44)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 성형 소자는 상기 원시 레이저 빔(14)을 상기 광학 축(20)에 대해 수직인 방향으로 확장하는 빔 변환기(54)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 성형 소자는 회절 광학 소자(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 성형 소자는 공간 필터(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 성형 소자(24, 60)는 선택적으로 상기 광학 축에 도입될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 레이저 광원(12)으로 작업 평면(50)에서 규정된 레이저 조명을 생성하기 위한 방법으로서, 상기 레이저 광원은 제 1 각도 스펙트럼(26)을 갖는 원시 레이저 빔(14)을 생성하고, 상기 원시 레이저 빔(14)은 광학 어셈블리(64)에 의해 광학 축(20)을 따라 조명 빔(48)으로 변환되고, 상기 조명 빔(48)은 상기 작업 평면(50)과 교차하는 빔 방향(52)을 규정하고, 상기 광학 어셈블리(64)는 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(38, 40)를 포함하고, 상기 마이크로렌즈 어레이는 상기 광학 축(20)을 따라 서로 규정된 간격(42)으로 위치 설정되고, 상기 규정된 간격(42)은, 상기 조명 빔(48)이 상기 작업 평면(50)의 영역에서 복수의 개별 조명 스팟(46)을 포함하는 조명 빔 프로파일(47)을 갖도록 선택되는 것인 방법에 있어서,
    상기 광학 어셈블리(64)는 빔 성형 소자(24; 60)를 더 포함하고, 상기 빔 성형 소자는 상기 광학 축(20)을 따라 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(38, 40) 앞에 배치되고, 상기 빔 성형 소자(24; 60)는 상기 제 1 각도 스펙트럼(26)과는 상이한 제 2 각도 스펙트럼(32)을 생성하는 것을 특징으로 하는 방법
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 조명 빔 프로파일(47)은 지그재그 경로(78)를 따라 상기 작업 평면(50)에 대해 이동되는 것을 특징으로 하는 방법.
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