KR930001313B1 - 에어리어 패터닝 마스크를 이용한 레이저 세이핑방법 및 그 시스템 - Google Patents

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Description

에어리어 패터닝 마스크를 이용한 레이저 세이핑방법 및 그 시스템

제1도는 한 세트의 웨이티드 마스크 각각에서 대응하는 화소의 투명성(1) 및 불투명성(0)에 필요한 상대적 융삭에 관한 표를 나타낸 도면.

제2도 및 제3도는 4개의 마스크 각각의 대응하는 화소의 대응하는 불투명 또는 투명상태와 요구되는 상대적 융삭에 대한 4개의 화소패턴을 각각 설명하는 도면.

제4도는 편평한 워크피스상에 볼곡한 구상표면을 형성하는 8개의 웨이티드 마스크 패턴(A∼H)을 나타낸 도면.

제5도는 제4도의 마스크 세트에 의해 조각된 워크피스의 일부 절개 사시도.

제6도는 편평한 워크피스 상에 쌍곡선 상 포물선을 형성하는 8개의 웨이티드 마스크 패턴(A∼H)을 나타낸 도면.

제7도는 제6도의 마스크 세트에 의해 생성된 쌍곡선 상 포물면을 도시적으로 나타낸 도면.

제8도는 웨이티드 마스크의 수 및 화소크기의 함수로서 레이저 융삭의 해상도를 나타낸 그래프.

제9도는 곡률반경이 R₁인 구상표면부의 직경을 따라 절개한 단면도.

제10도는 곡률반경이 R₂(R₂＞R₁)인 제2의 구상표면부의 직경을 따라 절개한 단면도.

제11도는 제9도의 구상표면의 직경을 따라 절개한 단면도로서 제9도의 구상표면을 제10도의 구상표면으로 변환하기 위하여 융삭되어야 할 물질을 나타낸 도면.

제12도는 위치함수로서 제11도의 단면 직경을 따라 융삭되어야 할 물질의 깊이를 도식적으로 나타낸 도면.

제13도는 제11도 또는 제12도의 지정된 물질을 삭마식으로 융삭할 수 있게 하는 8개의 마스크 세트를 나타낸 도면.

제14도는 구상표면의 곡률반경을 감소시키기 위한 8개의 마스크세트를 나타낸 도면.

제15도는 하나의 임의 표면을 다른 임의 표면으로 변환하는 과정을 설명하는 도면.

본 발명은 워크피스의 레이저 세이핑분야에 관한 것으로, 특히, 워크피스 노출을 제어하기 위해 마스크를 사용하는 워크피스의 레이저 세이핑분야에 관한 것이다.

예를 들어, 근시, 원시 및 난시 등 시각장애를 교정하기 위하여 각막을 리세이핑 하도록 인간의 각막을 자외선 레이저를 이용하여 융삭(ablation)시키는 것에 관심이 집중되고 있다. 이러한 레이저 조각은 자외선광 펄스에 노출시켜 각막의 얇은 층을 융삭시킴으로서 달성된다. 제거된 자외선광은 200㎚이하의 파장을 갖는다. 200mJ/㎠의 펄스 유동에 대하여, 두께가 약 0.1∼0.2미크론인 각막 물질층은 각각의 펄스로 제거된다. 각막 표면의 형상에 있어서 소망하는 변화를 제공하는 방식으로 레이저 융삭을 제어하는 데에는 여러 가지 기술이 제안되어 왔다.

이러한 기술로는 각막 주변의 마스크의 주사가 소정의 방식으로 각막물질을 제거하도록 레이저 빔의 각 펄스가 각막 표면의 작은 부분에 부딪히는 것을 억제하도록 구성된 중앙 개공 또는 슬릿을 구비한 마스크를 사용하는 것이 있다. 다른 하나의 기술은 많은 펄스에 의해 소정방식으로 각막물질을 누적식으로 제거하기 위해 각막을 통하여 주사된 소직경 스포트를 사용하는 것이다.

상기 모든 기술들은 몇가지 단점을 갖는다. 이들은 연속적으로 국소영역 내의 각막상에 작용하고, 그 결과, 각막의 리세이핑을 완성하기 위해 사용되어야 하는 펄스가 매우 많기 때문에 많은 시간이 소모된다. 이들 공정은 각막의 재조작을 완성하는데 수분이상을 필요로 한다. 이 시간은 많은 단점을 갖는다. 환자의 머리 및 눈은 정확한 조각이 이루어지기 위하여 전체 조각시간 동안에 고정된 위치에서 유지되어야 한다. 이것은 환자 및 안과의사의 피로를 일으킨다. 처리에 소요되는 시간이 길면 길수록 그 절차에 소요되는 비용은 더욱 증가한다. 이러한 기술들 각각은 소정의 리세이핑을 달성하기 위하여 많은 수의 레이저 펄스를 필요로 한다. 노출된 에어리어를 제거하기 위해 슬롯을 가진 마스크를 사용하는 것은 레이저 에너지의 대부분이 마스크에 의해 차단된다는 점에서 레이저 에너지의 사용에 본질적으로 비효율적이다. 융삭제어의 스포트형태를 주사하기 위하여는 각각의 작은 각막 에어리어에서 소정량의 물질을 정확히 제거하기 위하여 비교적 많은 시간이 필요하다.

이러한 기술 각각에 있어서는 각막 표면의 리세이핑의 정확성이 펄스당 레이저 에너지가 제어되는 정확성 및, 마스크 및/또는 레이저 빔의 각막을 통하여 주사되는 정확성에 직접 의존한다. 각막 또는 수정체의 조각(sculpture)에 단지 수초만 소요되는 레이저 조각기술, 및 그 정확성이 각막 표면을 통하여 마스크의 개공 또는 레이저 빔의 정확한 주사에 의존하지 않는 기술을 사용할 필요가 있다.

이들 시스템 각각은 각막의 융삭 조각중의 시스템 고장이 소정치 이상의 다량물질을 제거하는 것을 포함하여 각막의 비정확한 조각으로 유도할 수 있는 안전상의 위험이 있다. 이러한 위험들은 몇가지 이유 때문에 각막의 직접 조각에 특히 관련이 있다. 잘 알려진 바와 같이 인간의 눈, 특히 각막은 신속한 재생이 불가능하고 전혀 재생될 수 없으며 명확한 시각을 방해하는 상처를 입을 수 있다. 결국, 물질의 원치않는 제거는 환자의 시력을 영구적으로 손상시킬 수 있는 비전도성 처리이다. 또한 개개인의 한 세트의 눈만을 가지고 있는 현대의 다정보사회에서 시각 정보의 중요성 때문에 개개인은 자신의 눈에 대하여 극도의 주위를 가져야 한다.

가장 신뢰성 있는 전자시스템의 경우에도 가끔 고장이 일어날 수 있다. 조각 공정중에 고장이 발생하면 눈에 대한 영구적인 손상이 또한 발생한다.

비의도적인 조직(tissue)의 제거를 방지하는 조각기술은 인간의 각막을 조각하는데 대한 사용에 매우 좋다.

본 발명의 제1목적은 레이저 빔 또는 마스크의 개공의 주사에 의존하지 않는 레이저 세이핑 기술을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2목적은 세이핑 될 전체의 에어리어가 한 단위로서 취급될 수 있는 레이저 세이핑 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제3목적을 워크피스의 세이핑 패턴을 정확히 미리 제어하는 것이다.

본 발명의 제4목적은 소망하는 리세이핑은 에어리어 패턴에 대응하는 에어리어 패턴을 갖는 레이저 세이핑 제어 마스크를 제공하는 것이다.

상기 목적 및 본 명세서와 첨부도면으로부터 명백해지는 다른 목적들은 각각의 레이저 펄스가 워크피스를 세이프하는 패턴을 정확히 제어하는 에어리어 패터닝 마스크에 세이핑 레이저 빔을 통과시킴으로써 본 발명에 따라 달성된다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 레이저 조각에 의해 물질이 제거되는 패턴을 제어하기 위하여 한 세트의 웨이티드 마스크(weighted mask)가 사용된다. 상기 마스크는 K레이저 펄스에 대한 노출 패턴을 제어하기 위해 웨이트 1의 제1마스크가 사용되고, 2K 펄스에 대한 레이저 노출 패턴을 제어하기 위해 웨이트 2의 마스크가 사용되며, 4K 레이저 펄스에 대한 노출 에어리어를 제어하기 위해 웨이트 4의 마스크가 사용되는 등의 2진 웨이트를 갖는 것이 좋다. 만일 필요하다면 비 2전 웨이트를 사용할 수도 있다.

일 실시예에 따르면, 2진 마스크 세트의 각 마스크는 각각의 화소가 투명하거나 불투명한 화소배열을 포함하며, 이로써 마스크의 화소와 나란하게 정렬된 에어리어의 레이저 세이핑을 허용하거나 금지한다.

본 발명에 따르면, 워크피스를 통하여 조각 레이저 빔을 주사함으로써 인간의 각막(또는 인간의 각막에 부착되는 수정체)과 같은 워크피스 또는 다른 워크피스를 조각하기 보다는, 각각의 레이저 펄스에 대한 워크피스의 전체 작용 에어리어에 대한 레이저 에너지의 전송을 제어하기 위해 에어리어 마스크가 제공되고 상기 마스크는 워크피스의 어떤 영역들이 세이핑 또는 각각의 펄스에 의해 융삭되어지는지를 제어한다. 이것은 융삭패턴이 레이저 빔을 주사함으로써 또는 레이저 빔의 주사를 제어하기 위해 개공을 주사함으로써 보다는 마스크에 의해 제어된다는 점에 장점을 갖는다. 이 방법으로, 융삭패턴은 미리 제조된 마스크에 의해 제어되는데 그 마스크의 패턴은 마스크상에 실제 나타난 패턴이 소망하는 세이핑 패턴을 발생하는 것을 확실히 하기 위해 레이저 세이핑에 사용하기 전에 체크될 수 있다.

본 발명에 따른 마스크의 제거된 일실시예에 따르면, 융삭패턴은 마스크의 전송부와 나란하게 제거된 물질의 각도가 그 마스크에 배정된 웨이트에 비례하는 한 세트의 웨이티드 마스크에 의해 제어된다. 웨이티드 마스크 세트의 특히 양호한 실시예는 연속적인 마스크가 마스크의 번호와 함께 1, 2, 4, 8, 16, 32…의 웨이트를 가지며 물질의 제거에서 소망하는 해상도에 의존하는 최대 웨이트를 갖는 한세트의 2진 웨이티드 마스크를 포함한다.

제1도는 웨이티드 세트의 각 마스크에서의 화소에 대하여 마스크 상태의 주어진 화소에 필요한 융삭의 정도에 관련한 표를 나타내고 있다. 필요로 하는 상대적 융삭 정도는 제1도의 표에서 17다음에 갭을 갖고 있는 상기 표의 좌측 칼럼에서 0으로부터 255(2⁷-1)로 증가한다. 이 표의 중간 칼럼에는 일련의 2진수들이 기록되어 있고 이들 수의 위의 헤드부 상부행에는 우측에서 최저 웨이트 마스크 A로 시작하여 좌측으로 최고 웨이트 마스크 H까지 알파벳순으로 증가하는 마스크 문자가 기록되어 있다. 이들 마스크 문자의 바로 아래에는 우측의 1로부터 좌측의 128까지 2의 제곱으로 증가하는 마스크에 대한 대응 웨이트가 기록되어 있다. 그 바로 아래에는 우측의 1로부터 좌측의 128까지 그 수가 증가하는 동일한 에너지 레이저 펄스에 대하여 각각의 마스크를 통해 전송되어지는 레이저 펄스의 수가 기록되어 있다. 표의 우측 칼럼에는 대응화소가 표의 동일행상에서 지정된 상대적 융삭 정도에 대해 투명한 마스크의 리스트가 마스크 문자로 표시되어 있다. 표의 상부(여기에서 소망하는 상대적 융삭정도는 행증가에 따라 1씩 증가한다)는 5개의 다른 마스크(A-E) 만을 포함한다. 표의 하부에는 상대적 융삭정도가 표시되어 있으며 여기에서는 표를 단일 시트에 고착하기 위한 갭을 가진 추가적인 마스크가 필요하다. 기술에 숙련된 사람이라면 이전의 표의 값들(낮은 상대적 융삭정도)이 제어되는 것과 유사한 방법으로 생략된 상대적 융삭정도가 마스크의 화소 상태에 의해 제어된다는 것을 알 것이다.

제2도에는 7, 8, 9, 10의 상대적 융삭정도를 갖는 한 세트의 4개 화소가 도면의 좌측에 도시되어 있다. 1, 2, 4의 8의 웨이트를 각각 갖는 마스크 A, B, C, D의 상기 4개의 화소에 대한 대응 상태는 도면의 중간부분에 나타나 있다. 워크퍼스의 관련부를 산출하는 펄스의 전체수는 도면의 좌우측에 표시하였다. 제2도의 중간부에서 마스크의 충전된 화소는 레이저 펄스에 대해 불투명성이고 공백화소는 레이저 펄스에 대해 투명성이다. 각 마스크를 통하여 전송된 동일한 에너지 펄스의 수는 도면의 중간부에서 그 마스크의 바로 아래에 표시하였다.

제3도는 그 구성이 제2도와 유사하지만, 3, 6, 11 및 15의 상대적 융삭정도를 갖는 다른 4개의 화소를 가진 상황을 설명한다.

세이핑 정도가 레이저 펄스의 에너지 강도에 비례하는 곳에서 펄스대 에너지는 일정 에너지의 펄스의 수의 두배보다는 마스크 웨이트의 각각의 증가에 대해 두배로 될 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 세이핑이 누적 에너지와 선형일 때 이것은 중요한 마스크에 의해 제어되는 누적 에너지이다. 물질의 세이핑이 펄스 에너지와 비선형일 때 적당한 일정 에너지 펄스는 마스크 웨이트를 갖는 그들 수의 증가와 함께 제기된다. 그러나, 펄스 에너지와 펄스의 수와의 적당한 결합은 필요할 경우 선택되어 사용될 수 있다.

제4도는 웨이티드 결합에서 사용될 때 워크피스의 노출된 표면상의 볼록한 구면의 일부를 남기도록 하는 구성으로 편평한 워크피스로부터 물질을 제거하는 8개의 2진 웨이티드 마스크를 나타낸 것이다. 마스크 A는 최소 웨이트를 가지며 그들 통하여 전송된 단일 펄스를 갖는다. 마스크 B는 2의 웨이트를 가지며 그를 통하여 전송된 2개의 펄스를 갖는다. 마스크 C는 4의 웨이트를 가지며 그를 통하여 전송된 4개의 펄스를 갖는다. 유사하게, 마스크 D는 8의 웨이트를, 마스크 E는 16의 웨이트를, 마스크 F는 32의 웨이트를, 마스크 G는 64의 웨이트를, 마스크 H는 128의 웨이트를 각각 갖는다. 이들 마스크 패턴 각각의 기하학적 중심은 워크피스의 중심에서 물질이 제거되지 않은 결과 불투명한 것으로 관측되며, 패턴 A의 세부화 된 패터닝의 외부한계를 넘어서는 각각의 펄스에 의해 제거된 물질의 두께의 수배인 모든 마스크의 웨이트의 합과 같은 다량의 물질이 상기 마스크 세트에 의해 제어된 레이저 융삭에 의해 제거됨으로써 투명한다. 이 경우에 1펄스에 의해 제거된 깊이의 255매인 전체 깊이는 워크피스의 이러한 주변부에서 제거된다.

워크피스의 배경부 상으로 연장되는 실린더의 상부에 돔을 만들기 위하여 표면의 구면과 일부인 돔의 영역 밖의 워크피스의 주변에서 더 많은 물질을 제거할 필요가 있으면 이것은 패턴 A 및 투명한 상기 원형 에어리어의 외부에서 세부화된 패터닝의 에어리어에서 불투명한 마스크 "I"를 부가함으로써, 그리고 소망하는 제거 깊이에 대응하는 웨이트를 상기 마스크를 노출시킴으로써 행하여 질 수 있다. 반대로, 물질 8마스크의 각각을 통하여 전송된 펄스의 수를 두배로 하고 이로써 작업 구역 내의 각 위치에서 제거된 물질의 양을 두배로 함으로써 물질 표면의 평활도의 저하로 인해 워크피스의 주변에서 두배가 제거될 수 있다. 그러나, 이것은 구형의 타원체의 일부 보다는 비구형의 타원체의 일부인 표면을 갖는다.

마스크 A∼H의 각각은 마스크 또는 마스크 패턴(예를 들면 그 중심에서)중의 하나 내부에 있을 수 있는, 또는 마스크 패턴 모두의 외부에 있을 수 있는 기준위치에 대하여 마스크 패턴 각각이 공지의 위치에 그 중심을 갖는 단일 마스크 기판상에 배치되는 것이 좋다.

구상표면을 갖도록 편평한 워크피스를 조각하기 위하여 제4도의 마스크 세트에 나타난 한가지 특징은 마스크의 세부적인 존재가 마스크 웨이트의 증가에 따라 감소한다는 것이다. 이 특징은 매끄러운 대칭경계를 갖는 용적을 제거하도록 설계된 다수의 마스크 세트에 공통이다.

제5도는 편평한 상부 표면을 구상윤곽을 포함한 표면을 갖는 것으로 변환하기 위하여 제4도의 마스크 세트를 사용하여 조각된 워크피스의 부분 절개 사시도이다.

제6도에는 쌍곡선 포물면을 형성하기 위한 8개 마스크의 세트가 도시되어 있다. 제7도에는 결과적인 표면이 도시되어 있으나 제7도에서 표면의 좌측 및 우측이 제6도의 마스크 패턴의 상부 및 하부에 의해 형성된다는 점에서 마스크 세트에 관하여 90°회전된 것이다.

수정체 또는 인간 또는 동물의 각막의 표면과 같은 광학표면의 세이핑에 있어서 한가지의 관심사는 본 발명에 따라 2진 마스크 세트를 사용한 레이저 융삭에 의해 발생된 최종 표면의 평활정도에 관한 것이다. 상기 평활도를 측정하기 위하여 여러 가지의 기준이 사용될 수 있지만 주어진 마스크의 수에 의하여 및 화소크기의 함수로서 얻어진 해상도의 비교에 사용하기 위한 하나의 표준을 선택하였다. 편평한 워크피스가 볼록한 구상표면을 형성하도록 조각될 때, 선택된 표준은 워크피스내에 또는 그 표면에 전체적으로 위치된 최대 구상표면인 구상표면을 형성하도록 제거되어진 물질의 용적에 대한, 레이저 융삭공정에 의해 실제로 제거된 물질의 용적의 비율이다. 이 표준은 제8도에 그래프 형태로 설명되어 있으며, 여기에서 조각된 에어리어는 제8도의 상부에 도시된 바와 같이 직경이 5000미크론이고 구상표면을 갖도록 조각되며 그 모서리에서 보다 에어리어의 중심에서 25미크론이 더 두껍다. 평활도 백분율 100은 표면이 어디에서든 완전한 구상표면과 일치된 다는 점에 특징이 있다. 알 수 있는 바와 같이, 평활도 백분율은 사용된 마스크의 수에 무관한 작은 수의 화소에 대하여 낮다. 이것은 소수의 화소가 수직(깊이) 제어의 정교함에 무관하게 주요부가 이상적인 구상표면으로부터 이격된 크고 평탄한 상부 에어리어를 만들기 때문이다. 평활도는 마스크 세트의 마스크 수(따라서, 이용 가능한 다른 제거깊이 및 수직 행상도의 정교함)에 따라 증가하고 화소의 수(따라서 수평 해상도의 정교함)의 증가에 따라 증가함을 알 수 있다. 각각의 레이저 펄스에 의해 제거되는 물질의 층이 얇으면 얇을수록 주어진 펄스의 수에 의해 제거될 수 있는 물질의 최대량이 감소되더라도 결과적인 곡면의 평활도는 더 좋다.

제8도는 하나의 특수한 조각상태에 대한 평활도를 나타낸다. 다른 상태는 다른 평활도를 갖는다. 워크피스가 광학 소자일 때 필요한 평활정도는 특수 광학소자 및 전체 시스템에 의존한다.

일반적으로 인간의 각막 또는 각막에 부착된 수정체를 조각하는데 있어서 직면되는 문제는 구상표면을 형성하기 위하여 편평한 워크피스를 시키는 것에 있는 것이 아니고 현재의 곡면을 개선된 시각을 나타내는 다른 곡면으로 변환하기 위하여 현재의 곡면을 조각하는 것에 있다. 제9도에서, 재구성할 필요가 있는 초기곡면(10)은 그 구상표면의 직경을 따라 취한 단면에서 나타난다. 제10도에서 소망하는 최종 곡면(10)은 현재의 초기 표면(10)과 함께 점선으로 나타나 있다.

제11도에서는 초기곡면(10) 이 빗금으로 표시된 제거되어야 할 물질(120)과 함께 그 내부에 배치된 소망하는 곡면(110)과 같이(단지 제거되는 물질만을 이 공정에서 나타낼 수 있기 때문에) 도시되어 있다.

제12도에는 제거되어야 하는 물질(120) 이 표면(10)의 직경을 따라 위치의 함수로서 제거되는 두께로서 도시되어 있다.

제13도에는 물질(120)을 제거하기 위한 8마스크 세트가 도시되어 있다.

매우 소수의 인간의 각막은 완전히 구형이다. 또한, 완전히 구형인 각막 표면은 극 소수의 사람들에게 최적의 시각을 제공한다. 인간의 각막은 불규칙적인 형상을 가지며, 전체적인 인간의 광학계는, 일반적으로 불규칙적인 형상이 개개인에게 최적의 시각을 제공하도록 이루어져 있다. 결국, 본 발명을 안과에서 최적으로 사용하는 것은 하나의 불규칙적인 곡면을 다른 불규칙적인 곡면으로 변환하는 것이다.

제14도는 곡률 반경을 감소시키기 위한(구상표면의 곡률을 증가시키는) 8마스크 세트를 나타낸다. 이 마스크 세트는 제10도 내지 제13도에 나타낸 것과 다른 방법으로 변화시킨다.

본 발명의 2진 웨이티드 에어리어 패턴 마스크 실시예의 장점들 중 하나는 각각의 화소내에서 제로로부터 하나의 펄스에 의해 제거된 물질의 깊이의 (2N-1)배 까지의 범위에 있는 다량의 물질이 제거될 수 있다는 것이다. 따라서, 어떤 임의의 표면은 각각의 화소에서 제거되어야 할 물질의 양을 한정함으로써 어떤 다른 임의의 내포된 표면으로 변환될 수 있다. 제15도는 물질 본체를 통한 단면을 따라 이것의 조악한 예를 나타낸다. 각각의 화소위의 숫자는 그 화소에서 제거되어야 하는 두께를 나타낸다.

본 발명은 각막, 수정체 및 다른 워크피스에서 대하여, 그리고 하나의 불규칙 표면을 다른 불규칙 표면으로 변환하는데 대하여 종래 기술에 비해 상당히 많은 장점을 제공한다. 특히, 제거되는 물질의 정도는 마스크 제조공정중에 제어되고 그 결과 구체적인 빔 운동 및 불규칙성의 물질 제거형태가 스포트 레이저 빔 또는 개공 마스크의 구체적이고 주의깊게 제어된 운동에 의해 발생되지 않는다. 결국, 실제 물질 제거형태의 보다 신뢰성 있는 제어는 종래 기술공정에 비교하여 본 발명에 의해 제공된다.

또한 전체의 패턴화 된 마스크 에어리어를 포함하기에 충분한 크기인 레이저 빔에 의해 전체 조각고정이 실행되기 때문에 소망하는 형태를 얻기 위하여 훨씬 더 적은 펄스가 필요하다. 특히, 단일 펄스에 의해 제거된 깊이의 255배인 최대제거깊이가 요구될 때, 그 물질의 깊이를 제거할 필요가 있는 각각의 지점에서 작은 주사스포트 공정에 의해 요구되는 255개의 레이저 펄스 보다는 전체 조각공정을 위해 단지 255개의 레이저 펄스만이 필요하다. 결국, 이 마스크 세트는 각각, 수정체 또는 다른 워크피스를 조각하는데 필요한 레이저 펄스의 수를 크게 감소시킨다. 이것은 많은 장점을 제공한다. 첫째로, 이 공정은 종래의 공정 보다 훨씬 더 빠르다. 둘째로, 눈에 노출되는 레이저 펄스의 수가 크게 감소되고, 이로써 레이저 노출로 인한 예기치 않은 부작용의 위험을 최소한 시킨다. 초당 100펄스까지의 펄스속도를 갖는 엑시머 레이저(excimer laser)가 255중 1의 해상도를 갖는 상기 레이저 조각공정을 위해 사용될 때, 단지 255개의 펄스만이 필요하고 이 값은 레이저 시간의 1/2초 보다 약간 더 큰 값이다. 8개의 다른 마스크가 이러한 해상도를 위해 필요하기 때문에 8개의 다른 마스크를 각막 또는 수정체에 대하여 적절히 정렬되게 절환하는 시간은 상기 실제 레이저 시간에 가산되어야 한다. 그러나, 현대의 위치결정 및 정렬 장비로는 그러한 마스크 스위칭 및 정렬의 각각의 마스크 스위치에 대하여 1초 이내에 이루어져야 하며 그 결과 전체조작 공정이 약 10초 내에 달성될 수 있다. 1/2초 보다 훨씬 적은 마스크 스위칭 시간은 적당한 장비에 의해 가능해진다. 따라서, 전체 공정은 10초 이내에 양호하게 실행될 수 있다. 이것은 환자가 수분동안 보다는 10초동안 특정위치에 그의 눈을 고정시키는 것이 훨씬 더 쉽기 때문에 레이저 융삭 공정동안 환자의 눈을 고정시켜야 하는데에 따른 문제를 간단히 한다. 또한 정확한 융삭 패턴은 일정한 에너지 펄스의 필요한 수가 각각의 마스크 패턴을 통하여 전송되는 한 적절히 정렬되는 정확히 제조된 마스크에 대하여 보장된다.

오퍼레이터의 에러 또는 본 발명의 따른 레이저 융삭공정의 적당한 완성에 대한 어떤 방해의 위험성을 최소화 하기 위하여 마스크가 조각장비에서 적당히 주장된 긍정적인 보장을 제공하는 정렬키이를 갖는 단일기판상의 마스크 층에서 형성된 주어진 레이저 융삭 조각에 대해 모든 마스크 패턴을 가질것이 제거된다. 상기 정렬키이는 기판의 물리적 구성의 일부이거나 제6도의 우측하단에 도시된 바와 같은 기판상의 패턴의 일부이거나 이들 두가지 모두일 수 있다. 기판의 코너의 유사한 절단부가 정렬 키이로써 사용될 수도 있다. 다른 정렬 키이를 사용할 수도 있다. 각각이 이러한 마스크 기판은 의도된 환자 및 눈의 긍정적인 식별을 또한 포함해야 한다. 이것은 환자의 이름 및 "좌측 눈" 또는 "우측 눈"과 같은 단어의 형태일 수 있고 숫자 또는 다른 기호일 수 있다. 그 웨이트에 따라 각각의 마스크세트를 통하여 전송된 펄스의 수를 제한하는 자동 인터로크를 조각장비에 포함시키는 것이 제기된다. 마스크가 각막 또는 수정체와 적절히 정렬되는 것을 보장하는 마스크 상에 긍정적인 정렬을 표시하는 것이 또한 바람직하다.

그러한 긍정적인 정렬을 제공하는 한가지 기술은 마스크 각각의 정렬마크가 마스크를 통한 융삭 레이저 펄스의 전송이전에 정렬되는 각막 또는 수정체의 시각적으로 활동성인 부분외부에 4개의 정렬마크를 조각하는 것이다. 이러한 정렬기준은 각막 또는 수정체에 조각될 수 있고 또는 각막이나 수정체 또는 정렬시스템에 의해 마스크를 통하여 보여지는 위치기준 빔에 의해 조명되는 점에 부가된 작은 반사성 스포트일 수 있다.

본 발명을 2진 웨이티드 마스크에 따라 설명하였으나, 다른 마스크 웨이트도 같은 일반성을 가지고 사용될 수 있다. 2진 웨이티드 마스크의 주요장점은 제거물질의 주어진 해상도에 대한 마스크의 최소수가 가능하다는 것이다.

3∼6제곱 미크론의 화소를 갖는 마스크는 광저항 패턴을 노출시키기 위하여 또는 마스크 기판으로부터 마스크층을 직접 융삭시키기 위하여 주사된 레이저 빔을 사용하여 제조될 수 있다.

다른 마스크 준비 기술로서, 마스크 패턴은 인치당 300도트로 레이저 프린터에 의해 프린트될 수 있고 인치당 1200도트로 패턴을 제공하도록 또는 폭이 20.8미크론인 화소를 제공하도록 4대 1로 감소될 수 있다.

이들 마스크는 워크피스 패턴 사이즈에 대하여 1 : 1 마스크를 제공하는 "접촉" 마스크로서 평행한 빔 레이저 광을 갖는 인접 접촉 마스크로서 사용될 수 있다. 융삭 제품의 제거를 위하여 마스크와 워크피스 사이에는 충분한 공간이 남아있어야 한다. 반대로, 이들 마스크는 마스크와 워크피스 사이의 크기가 감소된 투명 마스크로서 사용될 수 있다. 투명 마스크에 의해, 미세규모의 평탄하지 않은 워크피스의 워크 표면으로 인한 왜곡을 피하기 위하여 레이저 광이 워크피스 표면에서 평행한 광선인 것이 제거된다.

충분한 작은 화소를 가지고 어떤 레이저 세이핑 작업을 하는데 있어서, 마스크의 투명한 에어리어의 엣지에서의 레이저 빔프린징은 물질 제거형태에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 효과는 각각의 레이저 펄스후에 또는 규정된 수의 레이저 펄스후에 높은 웨이트의 마스크를 약간 이동시킴으로써 상기 마스크에 대하여 최소화 될 수 있다. 상기 "약간의" 이동은 화소의 폭 이하이여야 하며 바람직하게는 화소 폭이 1/2이하인 것이 좋다.

일반적으로, 마스크의 제조는 마스크 기판이 평탄한 표면을 가질 경우 가장 간단하다. 그러나 프린징 효과를 제어하기 위하여 또는 다른 목적을 위하여 형상이 이루어진 표면상에 마스크를 형성하는 것이 좋다. 상기 형상이 이루어진 표면은 각막 표면으로부터 거의 일정한 거리에 마스크층을 위치시키는 각막형 곡률을 갖는 것을 포함한다.

마스크 층은 워크피스로 향하는 또는 워크피스로부터 분리되는 투명한 마스크 기판의 표면상에 배치될 수 있다.

이 형태의 마스크 제조공정을 간단히 하기 위하여 마스크 블랭크를 기억하고, 마스크 블랭크를 노출위치에 장착하며 마스크 패턴을 그 위에 형성하기 위한 자동기구를 갖는 것이 제거된다. 마스크 패턴을 형성하는 공정은 마스크 블랭크의 광 저항층을 노출 및 현상하고 그 다음 광 저항층에 의해 결정된 패턴으로 마스크 기판의 표면으로부터 불투명 코팅을 제거하는 공정을 포함한다. 반도체 웨이퍼를 취급 및 처리하는데 사용된 일반형태의 장비가 이 목적을 위해 사용될 수 있다. 레이저 프린터의 개작은 노출기구로서 사용될 수 있다.

여기에서 설명한 마스크는 각각의 화소가 100% 전송이거나 0% 전송이라는 점에서 2원체인 것으로 가정된다. 물론 소망하는 조각 패턴으로부터 큰 편차없이 99% 전송인 마스크 기판이 사용될 수 있다. 제조가 더 어렵긴 하지만 100% 전송부, 50% 전송부 및 0% 전송부로 이루어진 마스크 패턴은 그 위에 50% 전송인 초기 마스크층과 그 위에 0% 전송인 제2마스크층을 갖는 마스크 블랭크를 제공함으로써 본 발명에 따라 제조 및 사용될 수 있다. 이 마스크는 0% 전송인 요구되는 곳을 제외한 모든 곳에서 0%전송층을 제거하는 광저항 패턴을 첫 번째로 형성함으로써 패턴화 된다. 그 다음에, 제2광저항층은 100% 전송이 요구되는 모든 곳에서 50% 전송층을 제거하도록 패턴화 된다.

이 방법으로, 요구되는 마스크의 수를 감소시킬 수 있는 멀티 레벨 마스크가 제공된다. 만일 필요하다면, 유사한 방법으로 0%, 25%, 50%, 75% 및 100% 전송영역을 갖는 마스크가 제공될 수 있다. 임의의 매끄러운 조각 표면을 생성하기 위한 이러한 형태의 이상적인 마스크는 기초 물질의 소망하는 융삭 정도에 따라 0%와 100%의 전송범위에 있다. 상기 마스크는 전체 조각 에어리어에 걸쳐 융삭 패턴을 형성하는 에어리어 마스크라는 점에서 본 발명의 개념에 포함된다.

이러한 아날로그 에어리어 마스크를 생성하는 한가지 방법은 균일한 입사 레이저 펄스를 소망하는 융삭정도에 따라 위치의 강도를 변화시키는 광의 패턴으로 변환하기 위해 홀로그래픽 패턴을 사용하는 것이다. 이러한 홀로그래픽 마스크는 융삭을 제어하기 위해 단일 마스크로서 사용될 수 있고 웨이티드 홀로 그래픽 마스크는 정밀한 해상도가 요구되는 곳에서 사용될 수 있다.

레이저 빔은 전체 마스크 패턴을 포함해야 하며 물질의 적당한 웨이티드 제거를 위하여 마스크 패턴 전반에 걸쳐 일정한 유통성(fluence)을 갖는다. 그러나 빔이 그 빔을통한 유동성에 있어서 공지된 변화를 갖는다면, 이것은 각각의 화소에 대하여, 제어되어야 할 물질의 깊이 그 제거에 필요한 전체 유동성 및 그 화소의 위치에서의 레이저 빔의 유동성을 결정함으로써 마스크 설계 공정중에 보상될 수 있다. 이때 요구되는 전체 유동성은 필요한 펄스의 수를 결정하기 위하여 국소 빔 유동성에 의해 나누어진다. 이때 그 펄스의 수는 마스크 패턴의 각각에서 그 화소의 상태에 의해 마스크로 건축된다.

본 발명의 설명중 대부분은 수정체 및 각막을 조각하기 위한 사용에 대하여 행하여 졌다. 제거되어야 할 물질의 최대 깊이(D), 필요한 펄스의 수(n) 및 하나의 펄스에 의해 제거된 두께(T)는 다음의 관계를 갖는다.

D/N=T

따라서 D=NT

T=D/N

N=D/T

비록 본 발명을 어떤 양호한 실시예에 따라 여기에서 구체적으로 설명하였지만 기술에 숙련된 사람이라면 상기 실시예에 많은 수정 및 변화를 가져올 수 있다. 따라서, 본 발명은 청구범위에 의한 본 발명의 진정한 취지 및 범위에 속하는 한 모든 수정 및 변화물 포함하는 것으로 한다.

Claims (35)

1. 워크피스를 레이저 세이핑하는 방법에 있어서, 상기 레이저 세이핑중에 워크피스의 형상을 변환시키고자 하는 위치에 대응하는 화학선광 전송 화소와 화학선광 비전송 화소의 패턴을 갖는 마스크를 제공하는 단계와; 상기 마스크 패턴을 포함하도록 충분한 크기의 빔을 제공하는 화학선 광원을 제공하는 단계와; 상기 광원으로부터 상기 워크피스 까지의 광통로에 상기 마스크를 위치시키는 단계와; 상기 마스크에 의해 결정된 패턴으로 상기 워크피스의 표면을 형상짓도록 상기 마스크를 통하여 상기 워크피스에 화학선광을 조사하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 레이저 세이핑 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 화학선 광원을 사정 결정된 에너지의 펄스를 제공하는 것을 특징으로 하는 레이저 세이핑 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 조사단계는 상기 워크피스의 노출된 부분에서 소망하는 형상변화를 일으키도록 상기 마스크를 통하여 상기 광원으로부터 다수의 펄스를 조사하는 단계로 포함한 것을 특징으로 하는 레이저 세이핑 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 마스크의 패턴화 된 에어리어는 상기 워크피스의 전체 작업 에어리어를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 세이핑 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 마스크 패턴은 상기 세이핑 중에 상기 워크피스에 대하여 거의 정지상태로 유지되도록 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 세이핑 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 화학선 광의 복수 펄스가 통과하는 마스크에 대하여 상기 거의 정지상태의 위치결정은 선택된 펄스 다음에 화소의 폭보다 적은 만큼의 마스크 이동을 포함한 것을 특징으로 하는 레이저 세이핑 방법.
7. 제1항에 있어서, 워크피스가 눈의 각막에 부착된 수정체인 것을 특징으로 하는 레이저 세이핑 방법.
8. 제1항에 있어서, 워크피스가 눈의 각막 부착용 수정체인 것을 특징으로 하는 레이저 세이핑 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 워크피스가 각막인 것을 특징으로 하는 레이저 세이핑 방법.
10. 워크피스를 레이저 조각하는 방법에 있어서, 마스크 패턴의 웨이트에 비례하는 다량의 물질을 제거하고자 하는 위치에 대응하는 전송화소 및 비전송화소의 개개의 패턴을 각각 포함한 한 세트의 웨이티드 마스크 패턴을 제공하는 단계와; 상기 마스크 패턴 각각을 개별적으로 포함하도록 충분한 크기의 빔을 제공하는 융삭 광원을 제공하는 단계를 포함하고; 상기 마스크 패턴 각각에 대하여; 상기 광원으로부터 상기 워크피스까지의 광통로에 상기 마스크 패턴을 위치 정하는 단계와, 상기 마스크 패턴의 노출부로부터 다량의 물질을 제거하는데 유효한 상기 워크피스상에 상기 마스크를 통하여 다량의 융삭성 광을 조사하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 레이저 조각방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 마스크 세트는 1의 웨이트를 갖고, 제2마스크 패턴은 2의 웨이트를 가지며, 제3의 마스크 패턴은 4의 웨이트를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 조작 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 융삭성 광은 거의 동일한 에너지 펄스로 제공되고, 상기 웨이트 1의 마스크는 K개의 펄스에 의해 노출되며, 상기 웨이트 2의 마스크는 2K개의 펄스에 의해 노출되고, 상기 웨이트 4의 마스크는 4K개의 펄스에 의해 노출되며, 여기에서 K는 상수인 것을 특징으로 하는 레이저 조각방법.
13. 제12항에 있어서, 상수 K가 1인 것을 특징으로 하는 레이저 조각방법.
14. 제12항에 있어서, 하나 이상의 펄스가 전송되는 적어도 하나의 마스크 패턴에 대하여, 상기 마스크 패턴이 상기 펄스들중 적어도 하나가 상기 마스크 패턴을 통하여 조사된 후에 화소의 폭 보다 더 적은 만큼 이동되는 것을 특징으로 하는 레이저 조각방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 마스크 패턴은 각각의 펄스가 그것을 통하여 조사된 후에 이동되는 것을 특징으로 하는 레이저 조각방법.
16. 제10항에 있어서, 워크피스가 눈의 각막에 부착된 수정체인 것을 특징으로 하는 레이저 조각방법.
17. 제10항에 있어서, 워크피스가 눈의 각막 부착용 수정체인 것을 특징으로 하는 레이저 조각방법.
18. 제10항에 있어서, 상기 워크피스가 각막인 것을 특징으로 하는 레이저 조각방법.
19. 레이저 융삭에 의해 사전 결정된 3D 패턴으로 물질을 제거하는 마스크 세트에 있어서, 사실상 상기 사전 결정된 3D패턴으로 상기 물질을 제거하도록 상기 마스크 세트를 사용하기 위하여 배정된 웨이트에 따라 각각 노출할 필요가 있는 복수의 마스크를 포함하는 것을 특징으로 하는 마스크 세트.
20. 제19항에 있어서, 상기 마스크 각각은 사전 결정된 수의 화소를 포함하고 각각의 마스크에서 각각의 화소는 불투명하거나 전송성이며 불투명하고 전송성인 화소의 패턴은 제거물질의 사전 결정된 3D패턴에 따라 결정된 것을 특징으로 하는 마스크 세트.
21. 제20항에 있어서, 상기 마스크 세트는 웨이트 1의 제1마스크와, 웨이트 2의 제2마스크와, 웨이트 4의 제3마스크를 포함한 것을 특징으로 하는 마스크 세트.
22. 제21항에 있어서, 웨이트 8의 마스크를 아울러 포함한 것을 특징으로 하는 마스크 세트.
23. 제22항에 있어서, 웨이트 16의 마스크를 아울러 포함한 것을 특징으로 하는 마스크 세트.
24. 제23항에 있어서, 웨이트 32의 마스크를 아울러 포함한 것을 특징으로 하는 마스크 세트.
25. 제19항에 있어서, 상기 마스크 각각은 단일 기판상에 나타나는 것을 특징으로 하는 마스크 세트.
26. 제25항에 있어서, 상기 마스크 패턴 각각의 중심은 상기 기판상에 사전 결정된 위치를 갖는 것을 특징으로 하는 마스크 세트.
27. 제26항에 있어서, 상기 마스크 세트는 상기 마스크 패턴에 관련하여 형성된 위치를 갖는 정렬 키이를 포함하는 것을 특징으로 하는 마스크 세트.
28. 제27항에 있어서, 상기 키이는 상기 기판의 물리적 구성의 일부인 것을 특징으로 하는 마스크 세트.
29. 제27항에 있어서, 상기 키이는 상기 기판상의 패턴의 일부인 것을 특징으로 하는 마스크 세트.
30. 제27항에 있어서, 상기 키이는 상기 기판 및 상기 기판상의 물리적 구성의 결합인 것을 특징으로 하는 마스크 세트.
31. 레이저 세이핑 마스크 생성 시스템에 있어서, 마스크 블랭크를 기억하는 수단과; 마스크 블랭크를 노출위치에 장착하는 수단과; 소망하는 마스크 패턴으로 방사선을 여자시키기 위하여 마스크 블랭크를 노출시키는 수단과; 노출된 마스크 블랭크를 현상하고 상기 노출 및 현상에 의해 결정된 패턴으로 상기 블랭크로부터 불투명한 코팅을 제거하는 수단으로 포함한 것을 특징으로 하는 레이저 세이핑 마스크 생성 시스템.
32. 제31항에 있어서, 상기 마스크를 노출 및 현상시키는 일환으로서 상기 마스크 상에 긍정적으로 환자식별을 제공하는 수단을 아울러 포함한 것을 특징으로 하는 레이저 세이핑 마스크 생성 시스템.
33. 제31항에 있어서, 마스크 설계 데이터를 아울러 포함한 것을 특징으로 하는 레이저 세이핑 마스크 생성 시스템.
34. 제31항에 있어서, 상기 소망하는 마스크 패턴으로 상기 마스크의 노출을 제어하기 위하여 마스크 설계 데이타를 수신하는 수단을 아울러 포함한 것을 특징으로 하는 레이저 세이핑 마스크 생성 시스템.
35. 제31항에 있어서, 상기 노출수단이 상기 마스크 블랭크를 노출시키도록 구성된 레이저 프린터를 포함한 것을 특징으로 하는 레이저 세이핑 마스크 생성 시스템.

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