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KR101227803B1 - 감소된 간섭을 갖는 균질화기 - Google Patents

감소된 간섭을 갖는 균질화기 Download PDF

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KR101227803B1
KR101227803B1 KR1020117007447A KR20117007447A KR101227803B1 KR 101227803 B1 KR101227803 B1 KR 101227803B1 KR 1020117007447 A KR1020117007447 A KR 1020117007447A KR 20117007447 A KR20117007447 A KR 20117007447A KR 101227803 B1 KR101227803 B1 KR 101227803B1
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칼 짜이스 레이저 옵틱스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 제 1 진행 방향으로 진행하는 제 1 입력 광빔(4)과 제 2 입력 광빔(5)으로부터, 상기 제 1 입력 광빔(4)과 제 2 입력 광빔(5)이 균질화기의 실린드리컬 렌즈 어레이(1a)의 광입사면(6a,6b)에 입사하도록 하여, 목표 필드(3) 내에 목표 강도 분포(20)를 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 제 2 입력 광빔(5)은 상기 제 1 진행 방향과 상이한 제 2 진행 방향으로 진행한다. 본 발명은 또한, 제 1 입력 광빔(4)을 생성하기 위한 제 1 광원과 제 2 입력 광빔(5)을 생성하기 위한 제 2 광원, 또는 광빔을 생성하기 위한 단일 광원과 상기 광원을 제 1 입력 광빔과 제 2 입력 광빔으로 분할하기 위한 빔스플리터, 상기 제 1 입력 광빔(4)을 제 1 진행 방향으로 진행하도록 안내하는 제 1 안내 소자 및 상기 제 1 입력 광빔(4)과 제 2 입력 광빔(5)이 입사하는 광입사면(6a,6b)을 갖는 실린드리컬 렌즈 어레이(1a)를 구비하는 균질화기를 포함하는, 목표 필드(3) 내에 목표 강도 분포(20)를 형성하는 광학 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 광입사면(6a,6b)에 입사할 때 상기 제 1 진행 방향과 다른 제 2 진행 방향으로 진행하도록 상기 제 2 입력 광빔(5)을 안내하는 제 2 안내 소자가 존재한다.

Description

감소된 간섭을 갖는 균질화기{Homogenizer with reduced interference}
본 발명은 제 1 진행 방향으로 진행하는 제 1 입력 광빔과 제 2 입력 광빔으로부터, 상기 제 1 입력 광빔과 제 2 입력 광빔이 균질화기의 실린드리컬 렌즈 어레이의 광입사면으로 입사하게 함으로써, 목표 필드(target field) 내에 목표 강도 분포(target intensity distribution)를 형성하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명은 강도 분포를 갖는 하나 또는 두 개의 광빔으로부터 목표 필드 내에 목표 강도 분포를 형성하는 광학 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 또한 재료 처리 장치, 특히 전술한 광학 시스템을 포함하는 레이저 어닐링 장치(laser annealing apparatus)에 관한 것이다.
추가적으로, 본 발명은 전술한 제 1 및 제 2 레이저 빔을 생성할 수 있는 펄스 확장기(pulse stretcher)에 관한 것이다.
본 발명은 예컨대, 액정 디스플레이(LCD)(예컨대, 박막 트랜지스터 디스플레이(TFT) 등) 또는 발광 디스플레이(무기 또는 유기 발광 다이오드(LED, OLED), 또는 전기발광(electroluminescence; EL))와 같은 평판 디스플레이 분야에서, 기판의 광(예컨대, 레이저) 유도 결정화의 분야에 있어서, 대형 기판의 어닐링에 유용하다. 또한, 본 발명은 박막 광전지 소자의 제조에 사용될 수 있다.
특히, 본 발명은 비정질 실리콘(a-Si) 박막을 결정화하여 다결정 실리콘(p-Si)을 형성할 수 있는 장치를 제조하는데 유용하다. 그러한 다결정 실리콘 박막은 마이크로 전자공학 및 위에서 언급한 바 있는 디스플레이 기술에서 널리 사용된다. p-Si는 a-Si에 비하여 높은 전하 캐리어 이동도를 가지며, 이는 디스플레이 기판 위에 더 높은 속도의 스위치를 제조하거나 또는 더 높은 품질의 구동 전자회로를 집적하는데 유용하다. 또한, p-Si는 가시 스펙트럼 영역의 광에 대해 더 낮은 흡수 계수를 가져서 백라이트를 투과시키는 LCD-제품용 후면 전극으로서 p-Si를 사용할 수 있게 한다. 마지막으로, p-Si의 결함 밀도가 a-Si에 비하여 더 낮은데, 이는 고효율 태양전지 셀의 제조에 대한 전제조건이다.
a-Si의 p-Si으로의 변환은 약 1000℃ 정도에서의 열처리에 의해 수행될 수 있다. 그러한 과정은 수정(quartz)과 같은 내열성 기판 위에 있는 a-Si에 대해서만 사용될 수 있다. 그러한 재료는 디스플레이 목적용의 보통의 플로트 판유리(float glass)에 비하여 비싸다. a-Si의 광 유도 결정화는 결정화 과정 동안 열적 부하에 의해 기판을 손상시키지 않고 a-Si로부터 p-Si를 형성할 수 있게 한다. 비정질 실리콘은 스퍼터링 또는 화학 기상 증착(CVD)과 같은 저렴한 공정에 의해 유리, 수정 또는 합성물과 같은 기판 위에 형성될 수 있다. 결정화 공정들은 엑시머 레이저 결정화(excimer laser crystallization; ELC), 연속 측방 고상법(sequential lateral solidification; SLS) 또는 얇은 빔 결정화 공정(thin beam crystallization procedure; TDX)으로서 공지되어 있다. 이들 상이한 제조 공정에 대한 개관은, 예컨대, SID 00 Digest, 1-3에 실린 D.S. Knowles 등의 "Thin Beam Crystallization Method: A New Laser Annealing Tool with Lower Cost and Higher Yield for LTPS Panels"; "LCD Panel Manufacturing Moves to the next Level-Thin-Beam Directional X'tallization(TDX) Improves Yield, Quality and Throughput for Processing Poly -Silicon LCDs"라는 제목의 TCZ GmbH Company의 브로셔에 있는 SID 05 Digest, 1-3에 게재된 Ji-Yong Park 등의 "P-60: Thin Laser Beam Crystallization method for SOP and OLED application"에 주어져 있다.
예컨대 0.5mm×300mm의 통상적인 크기와 균질한 강도 분포를 갖는 라인 빔이, 예를 들어, 엑시머 레이저 결정화(ELC)를 이용한 대형 기판 상의 실리콘 어닐링에 적용된다. 최신의 광학 시스템은 원하는 강도 분포를 형성하기 위하여 교차 실린드리컬 렌즈 어레이들을 포함하는 굴절식 광학 조명 시스템을 사용한다. 그 기능성이 예컨대 US 2003/0202251 A1에 기재되어 있는 이들 어레이들은, 적절하게 성형된 서브 개구들을 사용하여 입력 빔을 다수의 빔들로 분할하는 균질화 방식들의 보다 일반적인 그룹의 예이다. 필드 평면에서의 이들 다수의 빔들이 중첩은 강도 변화들을 평균화시켜 빔을 균질하게 한다. 통상적으로, 두개의 수직한 방향, 소위 말하여 단축(short axis) 방향과 소위 말하여 장축(long axis) 방향은 실린드리컬 광학기기를 사용하여 균질하게 분리된다.
WO 2006/066706 A2는 4 내지 7㎛의 단축 반치폭(FWHM) 크기와 700mm의 장축 크기를 갖는 라인빔의 생성을 개시하고 있다. 장축 크기에 대한 균질화기는 실린드리컬 플라이아이 변환기와 로드(rod)를 포함한다.
인터그레이터(integrator)로서 플라이아이를 포함하는 레이저 균질화 방식에서, 균일한 강도 분포는 레이저 프로파일의 상이한 부분들을 어떤 한 필드 점(field point)에서 중첩시킴으로써 달성된다. 이러한 방법은, 예컨대, APPLIED OPTICS/ Vol.28, No.1/ 1 January 1989, pages 106-110에 게재된 Yoshihary Ozaki 및 Kiichi Takamoto의 논문 "Cylindrical fly's eye lens for intensity redistribution of an excimer laser beam"에 개시되어 있다.
레이저 프로파일의 상이한 부분들의 어떠한 한 필드 점에서의 이러한 중첩으로 인해, 간섭이 발생할 수 있다. 간섭 패턴의 콘트라스트는 레이저의 독립적인 공간적 가간섭성 셀(spatial coherence cell)들의 개수에 의존한다. 레이저의 공간적 가간섭성 셀은 두 빔이 서로에 대해 간섭성이 있을 때의 영역을 의미한다.
많은 응용예들의 경우에, 잔여하는 간섭 패턴은 감소되어야 한다. 잔여하는 간섭 패턴들을 감소시키기 위한 상이한 방법 및 장치들이 공지되어 있다.
예컨대 US 6,594,090 B2는 플라이아이 인터그레이터와 집광 렌즈로 구성되는 균질화기를 개시하고 있다. 두 개의 실린드리컬 렌즈 어레이를 포함하는 플라이아이 인터그레이터는 집광 렌즈의 전방에 배치되어 있다. 간섭 패턴을 감소시키기 위하여, 회전 확산기(diffuser)가 플라이아이의 전방에서 사용된다. 회전 확산기의 효과는 이미지 평면에서 간섭할 수 있는 빔들 사이의 상대 위상을 변화시키는 것이다. 회전 확산기는 에텐듀(etendue), 즉 수직한 두 방향의 영역 및 각도에서 광이 "퍼지는" 정도를 향상시킨다. 에텐듀에 있어서의 증가가 단점을 내포하지 않는 많은 응용예들이 존재하지만, 특히 기판에서 매우 높은 종횡비의 균질화된 빔을 갖는 레이저 어닐링 장치에서는, 단축 방향으로 에텐듀에 있어서의 증가는 불리하다.
US 6,650,480 B2는 플라이아이를 포함하는 균질화기에서 간섭을 감소시킬 또 다른 가능성을 개시한다. 여기서 기술된 예는 균질화 실린드리컬 렌즈 어레이의 전방에 분포 지연 소자(distributed delay device)의 사용을 언급한다. 분포 지연 소자는 광경로차가 연속적으로 발생하도록 계단화된 형태를 갖는 수정 블록(quartz block)이다. 한 계단의 크기는 실린드리컬 렌즈 어레이의 한 렌즈의 크기와 동일하여야 한다. 도입된 경로길이의 차가 레이저 빔의 가간섭성 길이(coherence length)보다 크다면, 이미지 평면 내의 어떤 한 필드 점에 집광된, 렌즈 어레이의 상이한 위치들로부터 온 광선들의 간섭이 감소될 수 있다. 레이저 빔의 변동에 독립적이 되도록 하기 위하여, 플라이아이 내의 많은 수의 실린드리컬 렌즈들이 유리하다. 이 경우에, 작은 계단 크기의 분포 지연 소자가 요구된다. 이는 이 소자의 제조를 매우 어렵게 만든다.
펄스 확장기를 사용한 스펙클 콘트라스트(speckle contrast)에 있어서의 감소가 US 6,693,930 B1에 개시되어 있다. 콘트라스트에 있어서의 감소는, 상이한 각도 또는 위치로 확산기에 입사하는 레이저 빔들이 확산기를 떠나면서 변화된 스펙클 패턴을 형성한다는 사실을 기초로 수행된다. 펄스 확장기(pulse stretcher)의 사용으로, 잔여 콘트라스트를 감소시키는 다수의 스펙클 패턴들을 형성하는 다수의 비간섭성(incoherence) 빔들이 형성된다.
US 6,191,887은 스펙클 감소를 위한 다른 시스템을 개시한다. 이 시스템은 펄스를 일시적으로 분리되고 공간적으로 수차를 갖는 작은 펄스(pulselet)들로 분할한다. 공간적인 수차들은 지연 라인들을 따라 위치하며 파면(wave front) 형태를 변형한다. 수차들로 인하여, 상이한 스펙클 패턴들이 이미지 평면에서 발생한다.
분포 지연 소자를 갖는 종래의 광학 장치 이외에도, 종래 기술에 따른 다른 모든 인용된 광학 장치들은 확산기와 수차로 인하여 각도 및 파면 분포를 변형하는 단점을 갖는다. 특히 레이저 어닐링 장치에 있어서, 단축 방향으로의 이러한 효과는 허용될 수 없다.
본 발명의 목적은 실린드리컬 렌즈 어레이를 사용하는 레이저 빔 균질화기에서 간섭을 감소시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 강도 분포를 갖는 입력 광빔으로부터 목표 필드 내에 균질화된 목표 강도 분포를 형성하는 광학 시스템/장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 간섭 효과의 감소로 인해, 바람직하게는 30000 이상의 높은 종횡비를 갖는 고도로 균질화된 목표 강도 분포를 갖는 재료 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 하나의 가간섭성 입사 레이저 빔으로부터 상이한 방향으로 진행하는 두 개의 비간섭성 레이저 빔을 형성할 수 있는 펄스 확장기를 제공하는 것이다.
유리한 실시예들이 그 종속 청구항들에 개시된다.
목표 필드 내에 목표 강도 분포를 형성하는 방법은 제 1 진행 방향으로 진행하는 제 1 (바람직하게는 발산하지 않는) 입력 광빔과 제 2 (바람직하게는 발산하지 않는) 입력 광빔을 전제로 한다. 상기 제 1 입력 광빔 및 상기 제 2 입력 광빔은 균질화기의 실린드리컬 렌즈 어레이의 광입사면에 입사한다. 본 발명에 따르면, 상기 제 2 입력 광빔은 상기 제 1 진행 방향과 다른 제 2 진행 방향으로 진행한다. 상기 제 1 입력 광빔과 제 2 입력 광빔 모두의 간섭 패턴들은 상기 목표 필드에서 중첩하여 잔여 간섭을 감소시키는 결과를 가져온다. 이러한 효과는, 상기 제 1 입력 광빔이 다수의 가간섭성 서브 빔들을 포함하고 상기 제 2 입력 광빔도 역시 다수의 가간섭성 서브 빔들을 포함한다고 가정하여 유도될 수 있다. 간섭 분석 및 각각의 계산 결과는 도 1 내지 도 3을 기초로 한 이하의 문단들에서 설명될 것이다.
바람직하게는, 상기 실린드리컬 렌즈 어레이는 평행하게 진행하는 일직선의 정점 라인(apex line)을 각각 갖는 다수의 실린드리컬 미소렌즈(lenslet)를 포함하며, 상기 제 1 입력 광빔과 제 2 입력 광빔은 상기 정점 라인들에 수직한 평면 내의 각도를 둘러싼다. 이렇게 배향된 입력 광빔들의 중첩은 원치 않는 잔여 간섭들의 증가된 감소를 가져오는 반면, 다른 평면들 내의 각도 배향은 일반적으로 더 낮은 감소를 가져온다.
본 발명에 따른 상기 방법의 바람직한 변형예에 따르면, 상기 각도는 다음의 관계식(1)을 유지한다:
[수학식 1]
Figure 112011023478932-pat00001
여기서 P는 상기 실린드리컬 렌즈 어레이의 피치이고 i, m은 정수이다.
상기 제 1 입력 광빔과 상기 제 2 입력 광빔이 서로에 대해 비간섭성이고 상기 제 1 및 제 2 입력 광빔들의 피크 강도(peak intensity)들이 거의 동일하도록 상기 제 1 입력 광빔의 피크 강도 및/또는 상기 제 2 입력 광빔의 피크 강도가 조절된다고 더 가정한다면, 이상적인 경우에 상기 목표 필드에서의 잔여 간섭 패턴은 최소화된다.
현실의 균질화기이기 때문에, 위에서 언급한 그리고 특히 동일한 피크 강도를 갖는 타입의 두 입력 광빔들의 중첩이 평평한 탑햇 프로파일(top hat profile)을 갖는 상기 목표 필드에서의 목표 강도 분포를 반드시 가져오는 것은 아니며, 본 발명에 따르면 상기 제 1 및/또는 제 2 입력 광빔의 상기 피크 강도는 상기 목표 필드에서의 잔여 간섭 패턴을 최소화하도록 조절될 수 있다. 이는, 예컨대, 상기 목표 필드에서의 빔 프로파일을 측정하고 상기 제 1 및/또는 제 2 입력 광빔의 상기 피크 강도를 조절하는 제어 변수로서 그 측정값을 되돌려 결합함으로써 달성될 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 입력 광빔들이 상이한 광원들에 의해 생성되는 것이 가능하다. 이 경우에, 일반적으로, (각각의 클럭 펄스에 의해 실행되지 않는다면) 상이한 광빔들 사이에 위상 관계가 존재하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 상기 제 1 및 제 2 입력 광빔들이 단일한 광원에 의해 생성되는 것이 바람직하다. 이러한 배치는, 대부분의 경우에 상기 제 1 및 제 2 광빔들 사이의 위상 관계를 알 것이고 광학 시스템의 설계 파라미터들을 고려하여 위상 관계를 계산하는 것이 가능할 것이라는 점에서 이점을 갖는다.
단지 두 개의 입력 광빔들, 즉 위의 제 1 및 제 2 입력 광빔들만이 본 발명에 따른 균질화 방식에 연관될 수 있을 뿐만 아니라, 적어도 하나의 추가적인 입력 광빔으로 이하에서 부르는 바와 같이, 하나의 추가적인 또는 다수의 입력 광빔들이 연관될 수도 있다는 점을 유의한다. 각각의 추가적인 입력 광빔은 제 1 및 제 2 빔들의 진행 방향들과 다를 뿐만 아니라 - 만약 하나의 이상의 추가적인 입력 광빔이 관련된다면 - 다른 추가적인 입력 광빔들의 진행 방향들과도 역시 상이한 또 다른 진행 방향으로 진행할 수 있다. 모든 입력 광빔들, 즉 제 1 및 제 2 입력 광빔들 및 하나 또는 다수의 추가적인 입력 광빔들은, 상기 목표 필드에서의 잔여 간섭 패턴이 최소화되도록 각각의 피크 강도들이 조절될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 단일한 광원에 의해 방출된 광빔은 제 1 광빔과 제 2 광빔으로 분할되며 적용 가능하다면 하나 또는 그 이상의 추가적인 광빔들로 분할될 수 있다. 상기 제 1 광빔은 펄스 확장기를 지연 없이 통과하여 진행한다. 상기 제 2 (그리고 적용 가능한 추가적인) 광빔(들)은 펄스 확장기에 의해 상기 제 1 광빔에 대해 지연되고 편향된다. 상기 제 1 광빔은 상기 제 1 입력 광빔으로서 사용될 수 있으며 상기 지연되고 편향된 제 2 광빔은 상기 제 2 입력 광빔으로서 사용될 수 있고 만약 적용 가능하다면 하나 또는 다수의 추가적인 광빔(들)이 추가적인 입력 광빔(들)로서 사용될 수 있다. 이러한 실시예는, 두 개 또는 상기 다수의 입력 광빔들이 광학적 빔 성형(shaping) 장치, 즉 주로 광학 시스템의 부품인 펄스 확장기에 의해 형성될 수 있다는 이점을 갖는다.
상기 제 1 빔에 대한 상기 제 2 빔(또는 상기 하나 또는 다수의 추가적인 광빔(들))의 편향(deflection)은 상기 제 2 (또는 상기 하나 또는 다수의 추가적인) 광빔(들)의 빔 경로에 웨지(wedge)를 배치함으로써 쉽게 형성될 수 있다. 대신에, 웨지는 상기 제 1 광빔의 빔 경로에 배치될 수도 있다.
또 다른 바람직한 실시예는, 상기 제 1 진행 방향 및/또는 상기 제 2 진행 방향 및/또는 상기 추가적인 진행 방향(들)이 자동적으로 또는 수동으로 조절된다는 점으로 이루어진다. 상기 조절은 목표 필드에서의 잔여 간섭 패턴을 최소화하도록 한다.
상기 광빔이 적어도 하나의 빔스플리터에의해 분할되는 경우에, 상기 적어도 하나의 빔스플리터의 반사도는 바람직하게는, 목표 필드에서의 잔여 간섭 패턴이 최소화되도록 선택된다. 잔여 간섭 패턴의 최소화는 빔스플리터에 입사하는 광에 대한 빔스플리터의 적절한 편광 의존성을 선택함으로써 성취될 수 있다. 다른 가능성은 입사광에 대한 빔스플리터의 적절한 전체적인 반사도를 선택하여 이루어진다. 도면을 참조하여 이하에서 설명되는 바와 같이, 바람직하게는, 빔스플리터의 반사도는 2/3, 또는 반사도에 어느 정도의 공차를 허용할 때 60%와 70% 사이이다. 이는 특히 편광에 독립적인 반사도를 갖는 빔스플리터에 대해 유지된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 광빔을 상기 제 1, 제 2 및 상기 하나 또는 다수의 추가적인 광빔(들)로 분할하기 위하여 두 개 또는 그 이상의 펄스 확장기들이 연달아 배치된다. 두 개 또는 다수의 펄스 확장기들의 연속적인 사용은 상이한 진행 방향을 갖는 다수의 빔들을 형성하도록 할 뿐만 아니라 잔여 간섭 패턴을 최소화하는데 요구되는 것과 같은 목표 필드에서의 소정의 간섭 조건들을 충족시키기 위하여 상기 다수의 빔들의 진행 방향들이 미리 결정되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 목표 필드 내에 목표 강도 분포를 형성하기 위한 광학 시스템은:
- 제 1 입력 광빔을 형성하는 제 1 광원과 제 2 입력 광빔을 형성하기 위한 제 2 광원, 또는 광빔을 형성하는 단일 광원과 상기 광빔을 제 1 입력 광빔과 제 2 입력 광빔으로 분할하기 위한 빔스플리터,
- 상기 제 1 입력 광빔과 상기 제 2 입력 광빔이 입사하는 광입사면을 갖는 실린드리컬 렌즈 어레이를 구비하는 균질화기,
- 상기 광입사면에 입사할 때 상기 제 1 입력 광빔을 제 1 진행 방향으로 진행하도록 안내하는 제 1 안내 소자 및
- 상기 광입사면에 입사할 때 상기 제 2 입력 광빔을 상기 제 1 진행 방향과 다른 제 2 진행 방향으로 진행하도록 안내하는 제 2 안내 소자를 포함한다.
위에서 언급한 문제는 본 발명에 따른 이러한 광학 시스템에 의해 완전히 해결된다.
바람직하게는, 상기 실린드리컬 렌즈 어레이는 평행하게 진행하는 일직선의 정점 라인을 각각 갖는 다수의 실린드리컬 미소렌즈(lenslet)들을 포함하며, 상기 제 1 입력 광빔과 제 2 입력 광빔은 상기 정점 라인들에 수직한 평면 내의 각도를 둘러싼다. 서로에 대해 그러한 각도 배향을 갖는 입력 광빔들의 중첩은 원치 않는 잔여 간섭들의 증가된 감소를 가져오는 반면, 다른 평면들 내의 각도 배향들은 일반적으로 더 적은 정도의 감소를 가져온다.
본 발명에 따른 상기 광학 시스템의 바람직한 실시예는 위에서 주어진 관계식(1)을 유지하는 피치 및 각도를 갖는 상기 실린드리컬 렌즈 어레이에 의해 특징지워진다.
바람직하게는, 상기 제 1 입력 광빔과 상기 제 2 입력 광빔은 서로에 대해 비간섭성이며 두 입력 광빔들의 피크 강도는 동일하다.
일반적으로, 상기 제 1 및/또는 제 2 광원들 또는 상기 단일 광원은 하나 또는 그 이상의 레이저이다.
바람직한 실시예에서 본 발명에 따른 광학 시스템은 제 1 광빔을 거의 지연 없이 투과시키고 제 2 광빔을 상기 투과된 제 1 광빔에 대해 지연 및 편향시키는 펄스 확장기를 포함한다. 한편으로 상기 투과된 제 1 광빔은 제 1 입력 광빔을 형성하고 다른 한편으로 상기 지연 및 편향된 제 2 광빔은 제 2 입력 광빔을 형성한다.
바람직하게는, 상기 제 2 광빔을 편향시키기 위하여 상기 제 2 광빔의 빔 경로에 웨지가 배치된다.
본 발명에 따른 광학 시스템은, 바람직하게는, 상기 제 1 진행 방향 및/또는 상기 제 2 진행 방향을 자동으로 및/또는 수동으로 조절하는 진행 방향 조절 소자를 포함한다. 상기 진행 방향 조절 소자는 이동 가능한, 특히 회전 가능한 및/또는 선형적으로 미끄럼 가능한 미러(mirror)일 수 있다.
대신에 또는 추가적으로, 본 발명에 따른 상기 광학 시스템은 상기 제 1 입력 광빔의 피크 강도 및/또는 상기 제 2 입력 광빔의 피크 강도를 자동으로 및/또는 수동으로 조절하는 피크 강도 조절 소자를 포함할 수 있다. 상기 피크 강도 조절 소자는 상기 목표 필드에서의 잔여 간섭 패턴을 최소화하기 위하여 상기 제 1 및 제 2 입력 광빔들의 피크 강도를 조절하는 역할을 할 수 있다. 이상적인 경우에, 상기 피크 강도 조절 소자는 상기 제 1 및 제 2 입력 광빔들의 피크 강도를 동일하게 조절하는 역할을 할 수 있다. 피크 강도 조절 소자로서, 예컨대, 감쇠기가 사용될 수 있다.
본 출원의 도입부에서 이미 언급한 바와 같이, 본 발명은 대형 기판의 레이저 어닐링을 위한 장치를 구성할 때 유용할 수 있다. 따라서 본 발명은 또한, 강도 분포를 갖는 입력 광빔으로부터 목표 필드 내에 목표 강도 분포를 형성하는 재료 처리 장치, 특히 레이저 어닐링 장치로서, 목표 필드에서의 강도 분포가 제 1 차원으로의 연장과 제 2 차원으로의 연장을 가지며, 제 1 차원으로의 연장이 제 2 차원으로의 연장을 30000배만큼 초과하도록 하는 재료 처리 장치에 초점을 맞출 수도 있다. 본 발명에 따르면, 상기 재료 처리 장치는 앞서 설명된 타입들 중 하나에 따른 광학 시스템을 포함한다.
입사 광빔을 확장시키고 상술한 종류의 제 1 및 제 2 입력 광빔을 형성할 수 있는 본 발명에 따른 펄스 확장기는:
- 입사 광빔을 제 1 광빔과 제 2 광빔으로 분할하는 빔스플리터로서, 상기 제 1 광빔이 상기 빔스플리터를 거의 지연 없이 통과하여 제 1 진행 방향으로 진행하는 빔스플리터,
- 상기 통과된 제 1 광빔에 대해 상기 제 2 광빔을 지연시키기 위한 지연 라인, 및
- 상기 지연된 제 2 광빔이 제 2 방향으로 진행하도록 상기 통과된 제 1 광빔에 대하여 상기 지연된 제 2 광빔을 편향시키기 위한 편향 소자를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 확장기는 상기 제 2 광빔을 편향시키기 위해 상기 제 2 광빔의 빔 경로에 배치된 웨지를 포함할 수 있다.
바람직하게는 펄스 확장기는 상기 제 1 진행 방향 및/또는 제 2 진행 방향을 자동으로 및/또는 수동으로 조절하기 위한 진행 방향 조절 소자를 포함한다. 예를 들어 상기 진행 방향 조절 소자는 이동 가능한, 특히 회전 가능한 및/또는 선형적으로 미끄럼 가능한 미러일 수 있다.
본 발명에 따른 펄스 확장기의 바람직한 실시예는 상기 제 1 광빔의 피크 강도 및/또는 상기 제 2 광빔의 피크 강도를 자동으로 및/또는 수동으로 조절하는 피크 강도 조절 소자를 또한 포함할 수 있다. 예시적으로, 상기 제 1 및 제 2 입력 광빔들의 피크 강도는 동일하게 조절된다.
실린드리컬 렌즈 어레이를 사용하는 레이저 빔 균질화기에서 간섭을 감소시키며 강도 분포를 갖는 입력 광빔으로부터 목표 필드 내에 균질화된 목표 강도 분포를 형성할 수 있다.
또한, 간섭 효과의 감소로 인해, 바람직하게는 30000 이상의 높은 종횡비를 갖는 고도로 균질화된 목표 강도 분포를 얻을 수 있으며, 펄스 확장기를 제공하여 하나의 가간섭성 입사 레이저 빔으로부터 상이한 방향으로 진행하는 두 개의 비간섭성 레이저 빔을 형성할 수 있다.
예시적인 실시예들이 다음의 첨부된 도면들을 참조하여 이하에서 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 두 개의 실린드리컬 렌즈 어레이 및 상이한 진행 방향을 갖는 두 개의 빔에 의해 조명되는 집광기(condenser)를 포함하며, 이웃하는 실린드리컬 미소렌즈들에 입사하는 서브 빔들만이 필드 평면에서 간섭하는, 최신의 균질화기를 도시한다.
도 2는 도 1에 따른 최신의 균질화기를 투과하기 전에 서로 평행하게 진행하는 제 1 세트의 서브 빔들로 구성된 빔에 대해 계산된 간섭 패턴을 도시한다.
도 3은 각각의 세트의 서브 빔들이 도 1에 따른 최신의 균질화기를 투과하기 전에 서로 평행하게 진행하고 상이한 세트의 서브 빔들이 도 1에 따른 최신의 균질화기를 투과하기 전에 서로 평행하지 않게 진행하는, 제 1 및 제 2 세트의 서브 빔들로 구성된 간섭 패턴을 도시한다.
도 4는 도 2에 따른 간섭 패턴을 전달하는 제 1 세트의 서브 빔들을 형성하는 종래의 기술에 따른 펄스 확장기에 대해 변형된 펄스 확장기를 도시한다.
도 5는 도 3에 따른 간섭 패턴을 전달하는 제 1 및 제 2 세트의 서브 빔들을 형성하는 본 발명에 따른 펄스 확장기를 도시한다.
도 6은 도 3에 따른 간섭 패턴을 전달하는 제 1 및 제 2 세트의 서브 빔들을 형성하는 본 발명에 따른 다른 펄스 확장기를 도시한다.
도 7은 다수의 내부 빔 분할로 인해 한 세트의 지연된 펄스들을 형성하는 것으로, 각각의 후속하는 지연 펄스는 이전의 펄스의 진행 방향에 대하여 동일한 각도만큼 편향된 진행 방향으로 펄스 확장기를 출사하도록 하는, 도 5에 따른 펄스 확장기를 도시한다.
도 8은 60%의 반사도를 갖는 빔스플리터를 사용할 때 도 5 또는 도 6에 따른 펄스 확장기로부터 외부 결합된(out-coupled) 투과 펄스 및 지연 펄스들의 강도를 도시한다.
도 9는 66%의 반사도를 갖는 빔스플리터를 사용할 때 도 5 또는 도 6에 따른 펄스 확장기로부터 외부 결합된 투과 펄스 및 지연 펄스들의 강도를 도시한다.
도 10은 상이한 진행 방향을 갖는 두 개의 빔들에 의해 조명되며, 세 개의 인접하는 실린드리컬 미소렌즈들에 입사하는 서브 빔들이 필드 평면에서 간섭하도록 하는 도 1에 따른 최신의 균질화기를 도시한다.
도 11은 도 10에 따른 실린드리컬 렌즈 어레이의 피치만큼 떨어져 있는 서브 빔들에 대한 보강 간섭 조건을 도시한다.
도 12는 도 10에 따른 실린드리컬 렌즈 어레이의 피치의 두 배만큼 떨어져 있는 서브 빔들에 대한 보강 간섭 조건을 도시한다.
도 13은 플라이아이 균질화기의 실린드리컬 렌즈 어레이에 입사하는 빔의 측방 가간섭성 길이가 어레이 피치의 두 배를 초과할 때 목표 필드에서 간섭 패턴을 제거할 수 있는 연달아 배치된 두 개의 펄스 확장기를 도시한다.
실린드리컬 렌즈 어레이를 갖는 균질화기는 렌즈 어레이의 피치 및 집광 렌즈의 초점 길이에 따라 이미지 평면에 공간적인 간섭 패턴을 형성한다. 이러한 사실이 이하에서 설명될 것이다.
도 1은 좌표 x, y, z를 갖는 직각 좌표계의 xz-평면에 있는 균질화기에 대한 통상적인 구성의 평면도를 도시한다. 균질화기는, 직각 좌표계 x, y, z의 xy-평면에 평행한 평면(13, 14, 15)들 내에 있으며 z-방향을 따라 배열되는, 제 1 실린드리컬 렌즈 어레이(1a)와 제 2 실린드리컬 렌즈 어레이(1b)를 갖는 두 개의 실린드리컬 렌즈 어레이(1a 및 1b) 및 실린드리컬 집광기(2)를 포함한다.
도 1에 도시된 배치에서, 제 1 어레이(1a)는 초점 평면(13)에, 즉 제 2 어레이(1b)의 초점 거리(f1b)에 위치한다. 집광기(2)는 제 2 어레이(1b)로부터 거리 d에 위치한다. 상기 집광기(2)의 초점 거리(f2)에 위치하는 평면은 필드 평면을 형성한다. 이하에서 이 필드 평면은 참조 번호 3으로 표시된다.
상기 실린드리컬 렌즈 어레이(1a 및 1b)는 각각 다수의, 바람직하게는 동일한 실린드리컬 미소렌즈(8a, 8b, 8c, 8d, 9a, 9b, 9c 및 9d)들을 포함한다. 실린드리컬 미소렌즈라는 말은 원형의 단면을 갖는 실린더 형태의 미소렌즈들만을 포함하는 것이 아니라, 특히 반원형의 단면 또는 비원형의 오목한 또는 비원형의 볼록한 단면을 갖는 "실린더"도 포함한다. 간략함을 위하여, 각각의 실린드리컬 렌즈 어레이(1a 및 1b)에 대해 단지 네 개의 동일한 실린드리컬 미소렌즈(8a, 8b, 8c, 8d, 9a, 9b, 9c 및 9d)들이 도 1에 도시되어 있다. 실린드리컬 렌즈 어레이(1a 및 1b)들 중 하나의 동일한 실린드리컬 미소렌즈(8a, 8b, 8c, 8d, 9a, 9b, 9c 및 9d)들은 x-축 방향으로 서로에 대해 인접하여 배치되어 있다. 상기 실린드리컬 렌즈 어레이(1a 및 1b)들의 개별적인 실린드리컬 미소렌즈(8a, 8b, 8c, 8d, 9a, 9b, 9c 및 9d)들과 상기 실린드리컬 집광기(2)의 정점 라인(apex line)(10a, 10b, 10c, 10d, 11a, 11b, 11c, 11d, 12a, 12b)들은 직각 좌표계 x, y, z의 y-방향을 따른다.
이하에서는 한 실린드리컬 렌즈 어레이(1a 및 1b) 내의 인접하는 실린드리컬 미소렌즈(8a, 8b, 8c, 8d, 9a, 9b, 9c 및 9d)들의 정점 라인(10a, 10b, 10c, 10d, 11a, 11b, 11c, 11d)들 사이의 거리를 피치(16, 17)라고 부른다. 본 예에서, 실린드리컬 렌즈 어레이(1a 및 1b)들의 피치(16, 17)는 동일하다.
이하의 설명에 대해, 하나 또는 그 이상의 광원(도시되지 않음)이 상기 제 1 실린드리컬 렌즈 어레이(1a)의 왼쪽 편에 배치된 것으로 가정한다. 상기 하나 또는 그 이상의 광원들은 상기 제 1 실린드리컬 렌즈 어레이(1a)로 안내되는 하나 또는 그 이상의 광빔들을 방출한다. 이 경우에 광은 모든 파장의 전자기 방사광을 의미한다.
먼저, 상기 광원들 중 하나로부터 제 1 빔(4)이 방출되어 z-방향으로 진행한다고 가정하고 다음으로 상기 하나의 광원 또는 다른 광원으로부터 제 2 빔(5)이 방출되어 상기 z-축 방향에 대해 0°와 다른(xz-평면에서 측정된) 각도를 갖는 방향으로 진행한다고 가정한다. 상기 제 1 및 제 2 빔(4, 5)들의 각각은 다수의 서브 빔(4a, 4b, 5a, 5b)들을 포함한다. 상기 실린드리컬 렌즈 어레이(1a 및 1b)들의 피치(16, 17)만큼 x-방향으로 떨어져 있는 각각의 제 1 및 제 2 빔들 중 두 개가 도 1에 도시되어 있다.
두 개의 빔(4, 5)들 모두는 위치(6a, 6b) 상에서 상기 제 1 실린드리컬 렌즈 어레이(1a)의 전면에 입사하고, 상기 균질화기를 통과하여 상기 필드 평면(3)을 가로지른다. 이 경우에, 필드 평면(3)에서의 서브 빔(4a, 5a 또는 4b, 5b)들의 위치(7a, 7b)는 제 1 어레이(1a)에서의 위치(6a, 6b)에만 의존하며 제 1 어레이(1a)에 입사할 때의 서브 빔(4a, 5a 또는 4b, 5b)들의 입사각(α4a, α4b, α5a, α5b)에는 어느 정도 독립적이다. 도 1은 xz-평면 내에서 각각의 서브 빔(4a, 5a 또는 4b, 5b)의 진행 방향과 z-방향 사이의 각도인 입사각(α4a, α4b, α5a, α5b)을 나타내고 있다. 여기서, 예시적으로 α4a = α4b, = 0°이고, α5a = α5b ≠ 0°라고 가정한다.
다수의 서브 빔(4a, 5a 또는 4b, 5b)들의 중첩으로 인해, 상기 필드 평면(3)에서의 균질화가 달성될 수 있다. 서브 빔(4a 및 4b)들은 제 1 어레이(1a)의 피치(16)만큼 떨어져 있는 두 위치(6a, 6b)에서 제 1 렌즈 어레이(1a)에 입사한다. 두 개의 서브 빔(4a 및 4b)들은 동일한 방식으로 편향되며 필드 평면(3)에서 동일한 필드점(7a)에 집광된다. 만약 두 개의 서브 빔(4a 및 4b)들이 서로에 대해 가간섭성이라면 필드 평면(3)에서 간섭이 발생한다. 필드 평면(3)에서의 간섭 패턴의 공간적 분포는 어레이(1a, 1b)의 피치(16, 17)와 집광 렌즈(2)의 초점 길이(f2)에 의존한다.
도 2는 간략함을 위하여, 도 1에 도시된 상기 균질화기를 통과한 후의 필드 평면(3)에서의, 단지 두 개의 서브 빔(4a 및 4b)들만으로 구성된 상기 제 1 빔(4)의 간섭 패턴(18)을 도시하고 있다. 패턴은 도 1에 도시된 서브 빔(4a 및 4b)들만에 대해 계산된 것임을 유의한다. 만약 제 1 실린드리컬 렌즈 어레이(1a)의 전면에 입사할 때 추가적인 서브 빔(4c, 4d, ...)(도시되지 않음)들이 z-방향으로 진행한다면(그러나 상기 제 1 실린드리컬 렌즈 어레이(1a)의 피치(16)만큼 떨어져 있을 필요는 없다), 이들 서브 빔(4c, 4d, ...)(도시되지 않음)들도 역시 간섭에 기여할 것이며 간섭 패턴(18)은 더욱 복잡해질 것이다. 그럼에도 불구하고, 100%의 콘트라스트는 동일할 것이다.
도 1에 또한 도시된 것은, 상기 제 1 빔(4)의 서브 빔(4a 및 4b)들에 대해 상이한 각도 α5a = α5b로 제 1 어레이(1a) 상에 입사하지만 동일한 위치에서 제 1 어레이(1a)에 입사하는 상기 제 2 빔(5)의 두 개의 서브 빔(5a, 5b)들이다. 두 개의 실린드리컬 렌즈 어레이(1a, 1b)의 동작 원리로 인하여, 두 개의 서브 빔(5a, 5b)들은 서브 빔(4a 및 4b)들과 비교하여 동일한 각도 β5a = β5b = β4a = β4b로 제 2 실린드리컬 렌즈 어레이(1b)를 떠난다. 따라서 제 2 빔(5)의 두 개의 서브 빔(5a, 5b)들은 제 1 빔(4)의 두 개의 서브 빔(4a 및 4b)들과 비교하여 동일한 필드점(7b = 7a)에 집광된다. 제 1 빔(4)의 서브 빔(4a 및 4b)들이 서로에 대해 가간섭성이고 제 2 빔(5)의 서브 빔(5a, 5b)들이 서로에 대해 가간섭성인 경우에, 만약 두 개의 빔(4, 5)들이 서로에 대해 비간섭성이고, 서브 빔(5a 및 5b)들 사이의 위상차 ΔΦ5a,5b가 서브 빔(4a 및 4b)들의 위상차 ΔΦ4a,4b와 (2i+1)*π(여기서 i는 정수)만큼 상이하다면, 잔여 간섭이 큰 정도로 감소될 수 있다.
빔(4 및 5)들 사이의 위상차 ΔΦ4,5는, 입사각 α = α5a - α4a = α5b - α4b에 대해 관계식(1)이 만족된다면 성취될 수 있다. 즉,
[수학식 2]
Figure 112011023478932-pat00002
여기서, P는 제 1 실린드리컬 렌즈 어레이(1a)의 피치이고 i는 정수이다.
만약 빔(4 및 5)들의 진폭(A)이 동일하고 각도 α가 위의 관계식(2)을 만족한다면, 빔(4 및 5)들 모두의 간섭 패턴(18, 19)들은 도 3에 도시된 것과 같이 보인다. 두 개의 비간섭성 간섭 패턴(18, 19)들의 합(20)은, 도 3에서 정규화된 강도 값 1에 일직선의 라인으로 표시된 일정한 강도를 가져온다.
이하의 실시예들은 플라이아이 균질화기를 사용할 때 잔여 간섭의 단점을 보상하기 위하여 단일한 광원으로부터 그러한 두 개의 빔(4 및 5)들을 형성한다. 실시예들은 펄스 확장기에서의 상기 상이한 빔(4 및 5)들의 생성에 초점을 맞춘다.
도 4는 좌표 x, y, z를 갖는 직각 좌표계의 xz 평면에서 광빔(100)의 진행 경로를 연장시키기 위한 이미지 펄스 확장기의 통상적인 구성을 도시하고 있다. 유사한 펄스 확장기들이 US 2005/0127184 A1, US 6,928,093 B2 및 WO 2005/050799 A1에도 개시되어 있다.
도 4에 도시된 펄스 확장기는, 이하에서 제 1 구면 미러(103), 제 2 구면 미러(104), 제 3 구면 미러(105) 및 제 4 구면 미러(106)라고 부르는 네 개의 구면 미러(103, 104, 105, 106)들을 포함한다. 미러(103, 104, 105 및 106)들의 곡률 반경 r1, r2, r3 및 r4는 동일하다. 제 1 미러(103)와 제 3 미러(105)는, 엄밀히 말하면 곡률 반경 r1과 r3에 대응하는 미러 거리 D1에서, 서로 마주보도록 배치된 그들의 오목면들에 대한 공통의 대칭축 상에 배치된다. 유사한 방식으로, 제 2 미러(104)와 제 4 미러(106)는, 곡률 반경 r2와 r4에 대응하는 미러 거리 D2=D1에서 서로 마주보도록 배치된 그들의 오목면들에 대한 또 다른 공통의 대칭축 상에 배치된다. 따라서 상기 배치는 미러(103, 104, 105 및 106)들의 공초점(confocal) 또는 4f 배치이며, 그 결과로 상기 배치는 1:-1의 결상 광학 특성을 갖는다. 상기 미러(103, 104, 105 및 106)들 이외에도, 도 4에 따른 펄스 확장기는, 제 1 및 제 3 미러(103, 105)들 사이의 중심에 배치되며 z-축 방향에 대해 45°로 경사진 빔스플리터(101)를 포함한다. 종래의 기술에 추가하여, 보상판(102a)이 지연된 빔 경로 내에 삽입된다. 이 보상판(102a)도 역시 z-축 방향에 대해 경사져 있지만 -45°의 각도로, 즉 빔스플리터(101)와 반대로 배치된다.
이하에서는, 펄스 확장기의 원리가 설명된다.
광빔(100)은 예를 들어 엑시머 레이저(도시되지 않음)와 같은 레이저에 의해 형성된다. 상기 펄스 확장기는 제 1 및 제 3 미러(103, 105)들 사이의 공간 내에 광빔(100)을 결합시키는 역할을 하는 삽입 결합 영역(coupling-in area)(118)을 갖는다. 본 경우에서, 삽입 결합 영역(118)은 입사 광빔(100)에 대해 45°로 경사진 상기 빔스플리터(101)에 의해 형성된다.
레이저 빔(100)은 빔스플리터(101)에 입사한다. 입사 빔(100)은 투과된 부분(107)과 반사된 부분(108)으로 분할된다. 반사된 부분(108)은 제 3 미러(105)로 진행하여 거기서 반사된다. 제 3 미러(105)로부터, 광빔(108)은 제 2 미러(104)로 진행하여 거기서 반사되고 제 4 미러(106)로 진행하는데, 그런 다음 여기서 광빔(108)이 반사된다. 거기서부터 광빔(108)은 제 1 미러(103)로 진행하며, 여기서 광빔(108)은 다시 반사된다. 반사된 부분(108)은 따라서 공초점 분포 구성을 통해 진행하였으며 빔스플리터(101)로 다시 결상된다. 반사형 방식으로 형성된, 빔스플리터(101)의 삽입 결합 영역(118)의 "후방"은 두 미러(103 및 105)들 사이의 공간 바깥으로 광빔(108)을 결합시키기 위한 출력 결합 영역(120)으로서 역할을 한다. 그러므로, 화살표(109)를 따라서, 네 번의 순환 후에 지연된 광빔(108)이 펄스 확장기를 떠나며, 여기서 구면 미러(103, 104, 105 및 106)들의 사용이 출력 결합 영역(20) 위로 삽입 결합 영역(18)을 1:1로 결상시키기 때문에, 펄스 확장기 다음에 상기 출력 결합된 광빔(109)과 삽입 결합된 광빔(100)은 동일한 광축 상에 놓이고 동일한 모양과 단면적을 갖게 된다. 광빔(100)의 진행 경로는 그런 후 미러 거리 D의 대략 4배만큼 펄스 확장기에서 길어지게 되었다.
상기 빔스플리터(101)의 전방에서 상기 지연된 광빔(108)의 진행 경로에 배치된 추가적인 보상판(102a)은 빔스플리터(101)의 시프트만을 보상하는 역할을 한다. 만약 보상판(102a)이 빔스플리터(101)와 동일한 두께(d)와 굴절률(n)을 갖는다면 그리고 보상판(102a)이 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 미러(103)에 의해 반사된 후의 반사된 부분(108)에 대해 45°로 배향되어 있다면, 투과된 빔(107)과 지연된 빔(108)은 오프셋 없이, 하나의 단일한 출력 결합된 광빔(109)을 형성하는 동일한 각도로 펄스 확장기를 떠난다.
물론 지연된 빔(108)의 잔여 특성은 펄스 확장기의 조절에 의존한다. 레이저 어닐링 장치에서, 상기 지연된 빔(108)에 대한 단축으로의 발산과 방향 지시는 입사 광빔(100)의 발산과 가까워야 한다. 이러한 조건이 성취된다면, 장축으로의 발산과 방향 지시도 역시 입사 광빔(100)의 특성들과 매우 가까워진다.
투과된 빔(107)이 도 1의 상기 제 1 빔(4)을 형성하고 지연된 빔(108)이 제 2 빔(5)을 형성한다고 가정하면, 도 1의 서브 빔(5a 및 5b)들은 서브 빔(4a 및 4b)들과 거의 동일한 특성들을 가질 것이다. 이는 간섭 패턴들이 크게 다르지 않을 것이라는 점을 의미한다. 빔(4, 5)들이 비간섭성이더라도, 그 합은 간섭의 유의미한 감소를 가져오지 않는다.
따라서, 도 5에 도시된 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 보상판(102b)은 소정의 방향으로의 방향 지시를 도입하는 웨지(wedge)이다. 웨지(102b)의 각도 γ는, 지연된 빔(108)의 결과적인 각도 α가 위에서 주어진 관계식(1)을 만족하도록 크기가 정해져야 한다. 소정의 방향은 플라이아이(1a, 1b, 2)와의 결합이 발생하는 방향과 같다. 빔스플리터의 반사도는, 투과된 빔(107)과 지연된 빔(108)이 거의 동일한 피크 강도를 갖도록 설계되어야 한다. 이 경우에, 콘트라스트의 감소가 매우 효과적이다.
도 6은 좌표 x, y, z를 갖는 직각 좌표계의 xz-평면 내에서 레이저 빔(100)을 투과 빔(107)과 지연 빔(108)으로 분할하기 위한 본 발명에 따른 다른 실시예를 도시한다. 도 4의 실시예와의 차이점은, 구면 미러(103, 104, 105 및 106) 대신에, 평면 미러(112, 113, 114, 115), 즉 제 1 평면 미러(112), 제 2 평면 미러(113), 제 3 평면 미러(115) 및 제 4 평면 미러(114)를 사용하는 것이다. 평면 미러(112 및 114)는 z-축에 대해 -45°로 기울어져 있으며 평면 미러(113 및 115)는 z-축에 대해 45°로 기울어져 있다. 상기 평면 미러(112, 113, 114, 115)들은 서로 마주보는 직사각형 상의 반사면을 가지며 짝을 지어 배치된다. 상기 제 1 및 제 3 미러(112, 115)들 사이의 중심에는 빔스플리터(111)가 위치한다. 빔스플리터(111)는 도 4와 동일한 배향, 즉 z-축에 대해 45°로 기울어진 배향을 갖는다.
레이저 빔(100)이 음(-)의 x-축 방향으로 진행한다고 다시 가정한다. 레이저 빔(100)은 빔스플리터(111)에 입사한다. 입사 빔(100)은 투과 부분(107)과 반사 부분(108)으로 분할된다. 투과 부분(107)은 두 번, 즉 빔스플리터(111)의 전면(118)과 후면(121)에서 편향된다. 화살표(110)를 따라, 투과 부분(107)은 펄스 확장기를 떠난다. 출력 결합된 투과 광빔(110)과 삽입 결합된 광빔(100)은 동일한 광축 상에 다시 놓이고 동일한 형태와 단면적을 갖는다. 반사 부분(108)은 제 3 미러(115)로 진행하여 거기서 반사된다. 제 3 미러(115)로부터, 광빔(108)은 제 4 미러(114)로 진행하며, 거기서 반사되어 제 2 미러(113)로 진행하는데, 여기서 광빔(108)은 그런 후 반사된다. 거기서부터 광빔(108)은 제 1 미러(112)로 진행하는데, 여기서 광빔(108)은 다시 반사된다. 따라서 반사 부분(108)은 분포된 구성을 통과하여 진행하여 제 1 미러(112)로부터 다시 빔스플리터(101)로 반사된다. 반사형으로 형성된 빔스플리터(101)의 삽입 결합 영역(118)의 "후방"은 두 개의 미러(112 및 115) 사이의 공간 외부로 광빔(108)을 결합시키는 출력 결합 영역(120)으로서 역할을 한다. 그러므로, 화살표(109)를 따라, 네 개의 평면 미러(112, 113, 114, 115)들에서 반사된 후 광빔(108)은 펄스 확장기를 떠나며, 출력 결합된 광빔(109)과 삽입 결합된 광빔(100)은 상이한 광축 상에 놓이지만 동일한 형태와 단면적을 갖는다. 따라서 광빔(100)의 진행 경로는 대략적으로 미러(112, 113, 114, 115)들 사이의 거리들의 합만큼 펄스 확장기에서 연장되었다. 구면 미러(103, 104, 105, 106)들을 사용하는 대신에 평면 미러(112, 113, 114, 115)들을 사용하는 것으로 인한 차이점은, 평면 미러(112, 113, 114, 115)들이 입사 레이저 빔(100)을 결상시키지 않는다는 것이다.
결상을 하지 않지만 레이저의 가간섭성 길이(coherence length)보다 긴 작은 지연 라인(delay line)의 경우에, 지연된 빔(108)의 추가적인 확장이 허용될 수도 있다.
이러한 실시예의 유리한 변형은 상기 평면 미러들 중 회전 가능한 적어도 하나의 미러(여기서는 미러(112))를 구비하는 것이다. 회전 가능한 미러(112)는 도 1에서의 빔(5a 및 5b)들의 각도 α가 미러(112)의 회전으로 인해 연속적으로 조절될 수 있게 한다. 도 3에서의 강도 분포가 모니터링된다면, 미러(112)의 각도는 잔여 간섭 패턴을 최소화하도록 조절될 수 있다.
이러한 실시예의 추가적인 유리한 변형은 평면 미러들 중 시프트 가능한 적어도 하나의 미러(여기서도 역시 미러(112))를 구비하는 것이다. 미러를 시프트시킬 가능성의 이점은 지연된 빔(108)의 빔 위치를 조절하는 것이다.
지연된 빔이 완전히 반사되는 것을 보장하기 위하여, 도 5에서와 같은 빔스플리터(101) 또는 도 6에서와 같은 빔스플리터(111)는, 예컨대, 입력 빔(100)의 한 부분을 투과시키고 나머지 부분(지연 빔(108))을 반사시키는 편광 빔스플리터일 수 있으며, 그러면 나머지 부분은 빔스플리터를 두 번째 입사할 때 완전히 반사되어 펄스 확장기를 떠난다.
그러나 일반적으로, 빔스플리터(101 또는 111)는 지연된 빔(108)을 완전히 반사하지 않고, 지연된 빔(108)을 다시 분할하여 펄스 확장기 내에서 한번 더 일주하는 또 다른 빔(122)을 형성할 것이며, 상기 또 다른 빔은 그런 후 다시 부분적으로 반사되어 출력 결합되고 부분적으로 투과된다. 그 결과, 일련의 펄스들이 펄스 확장기에 의해 형성되는데, 각각의 펄스는 일정한 시간만큼 추가적으로 지연된다. 도 7은, 중심 광선에 대하여, 도 5에 도시된 빔 확장기의 경우에서의 각각의 상황을 도시한다.
펄스들의 상대적인 강도는 빔스플리터의 반사도에 의해 결정된다. 만약 펄스 확장기 내에서의 광학적 손실(예컨대, 흡수에 의한)이 무시될 수 있다면, (입력 빔에 대한 상대적인) 펄스들의 강도는 아래의 공식에 의해 주어진다.
[수학식 3]
투과된 펄스의 강도(0번째 펄스) t
처음 지연된 펄스의 강도(첫번째 펄스) r2
두번째 지연된 펄스의 강도(두번째 펄스) tr2
...
n번재 지연된 펄스의 강도(n번째 펄스) tn-1r2
...
총합 1
여기서 r은 빔스플리터의 반사도이고 t = 1 - r은 투과도이다.
r=60%인 경우에 대해, 상이한 펄스들의 상대 강도가 도 9에 예시적으로 도시되어 있다.
만약 보상판(102a) 대신에 웨지(102b)가 펄스 확장기에 삽입된다면, 또는 처음 지연된 빔(108)의 각도 시프트 α를 도입하기 위해 미러(112)가 조절된다면, 각각의 연속하는 펄스는 또한 n-번째 펄스에 대해 αn = nα인 각도만큼 편향될 것이다(도 7 참조).
만약 이제 실린드리컬 렌즈 어레이가, 예를 들어, 도 1에 따른 배치의 상기 실린드리컬 렌즈 어레이(1a)가 이들 다수의 빔들로 조명된다면, 직접적인 빔에 대한 n번째 빔의 위상차는 대략적으로 첫번째 빔과 직접적인 빔의 위상차의 n배(각도가 작은 경우)이다. 따라서 간섭을 최소화하기 위한 공식(즉, 위상이 맞지 않는 첫번째 지연된 빔에 대한 관계식(1))에 따른 (2i+1)π의 위상차를 위해 각도 α가 조절된다면, n번째 빔은 n(2i+1)π의 위상차를 가질 것이며 짝수의 n을 갖는 빔들은 직접적인 빔과 동일한 위상에 있을 것이고, 홀수의 n을 갖는 빔들은 위상이 맞지 않을 것이며 이들 모두는 최종적인 간섭 패턴을 형성하도록 더해질 것이다. α가 (2i+1)π와 상이하게 선택된 경우에 유사한 고려가 적용되지만, 일반적으로 이러한 경우는 덜 바람직하다.
이는, 다수의 빔들이 펄스 확장기로부터 존재하게 된다면, 전체적인 간섭 패턴이 사라지도록 상기 다수의 빔들의 상대 강도들이 조절되어야 한다는 것을 의미한다. 강도를 조절하기 위한 단지 하나의 용이한 사용 가능 수단, 즉 빔스플리터의 반사도가 존재하기 때문에, 빔스플리터의 반사도는 전체적인 간섭이 최소화되도록 선택되어야 한다. 위상이 맞는 짝수 번째의 빔들과 위상이 맞지 않는 홀수 번째의 빔들을 갖는 위의 경우에, 완전한 상쇄를 위한 조건은 이들 두 그룹의 추가된 강도들이 동일한 것(즉, 입력 빔 강도의 각각 50%)이다. 최적의 반사도를 결정하기 위하여 위로부터 다음의 공식이 사용될 수 있다:
[수학식 4]
투과된 펄스의 강도(0 펄스) t
처음 지연된 펄스의 강도(1 펄스) r2
두번째 지연된 펄스의 강도(2 펄스) tr2
세번째 지연된 펄스의 강도(3 펄스) t2r2
네번째 지연된 펄스의 강도(4 펄스) t3r2
*다섯번째 지연된 펄스의 강도(5 펄스) t4r2
...
총합 t + tr2/(1-t2) r2/(1-t2)
그러면 동일한 강도의 조건은 r = 2/3 = 66.67%가 된다. 결과적인 상대 강도들이 도 9에 도시되어 있다.
반사도 r이 이러한 최적 값으로부터 벗어난다면,
[수학식 5]
(Imax-Imin)/(Imax+Imin)
로서 정의된 잔여 간섭 콘트라스트는 |(2-3r)/(2-r)|라는 것을 보일 수 있으며, 여기서 Imax는 잔여 간섭 패턴의 최대 강도이고 Imin은 최소 강도이다. 예를 들어, r = 50%인 경우에, 간섭 콘트라스트는 33.33%이다.
위의 계산은, 예컨대 도 1의 렌즈 어레이(1a)의 미소렌즈(8a와 8b 또는 8b와 8c)들과 같이 렌즈 어레이의 이웃하는 미소렌즈들을 투과하는 서브 빔들의 간섭만이 발생한다는 가정을 기초로 한 것이다. 그러나, 입력 빔의 측방 가간섭성 길이가 어레이 피치(P)의 두 배를 초과한다면, 이웃하는 미소렌즈들로부터 뿐만 아니라 더 큰 간격을 갖는 미소렌즈들(예컨대 도 10에서 미소렌즈(8a와 8c 또는 8a와 8d)들)로부터의 서브 빔들 사이에서도 간섭이 존재한다. 시작 표면에서 간섭 광선들의 상이한 거리들을 갖는 이들 다중 간섭 경로들에 대해, 위에서 기술된 것과 같은 하나의 펄스 확장기는 일반적으로 간섭 패턴을 완전하게 제거할 수 없다. 예를 들어, (도 11에서 도시된 것과 같이) 거리 P 및 (도 12에서 도시된 바와 같이) 2P를 갖는 광선들 사이의 간섭이 존재한다면, (관계식(1)로부터) 다음의 조건들이:
[수학식 6]
sin(α) = λ(2i+1)/2P
및
[수학식 7]
sin(α) = λ(2j+1)/4P
동시에 만족되어야 할 것인데, 이는 모든 정수 i, j에 대해 불가능하다.
이 경우에, 도 13에 도시된 바와 같이, 두 개의 펄스 확장기(123, 124)들을 사용함으로써 간섭이 제거될 수 있다. 입력 빔(125)으로부터 시작하여, 제 1 펄스 확장기(123)는 조건(6)을 만족시키는 각도 α1을 둘러싸는 진행 방향을 갖는 펄스(126, 127)을 형성하며 제 2 펄스 확장기(124)는 조건(7)을 만족시키는 상이한 각도 α2를 둘러싸는 진행 방향을 갖는 펄스(128, 129, 130, 131, 132, 133)를 형성한다. 제 1 펄스 확장기(123)를 떠나는 빔(126, 127)들은 그런 후 제 2 펄스 확장기(124)에 대한 입력 빔으로서 역할을 한다.
간섭 광선들의 각각의 간격 pk에 대해 다음의 조건:
[수학식 8]
sin(αk) = λ(2jk+1)/4pk
을 만족시키는 각도 αk를 각각 형성하는, 제거될 필요가 있는 각각의 간섭 패턴(즉, 간섭 광선들의 각각의 간격)에 대해 보다 일반적인, 하나의 펄스 확장기 또는 어떤 다른 각도-형성 소자가 사용될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 상기 형성된 각도 αk가 광선들의 하나 또는 그 이상의 간격 pk에 대해 동시에 공식(8)을 만족한다면 펄스 확장기들의 총 개수는 줄어들 수 있다. 예를 들어, 일정한 간격 pk = kP(어레이 피치의 배수, k는 정수)에 대해, 펄스 확장기의 개수는 m = ceiling[log2k]으로 감소할 수 있는데, 여기서 ceiling[ ]은 다음의 정수까지 증가시키는 수학적인 연산자이다. 그러면 각도 αm는 다음의 조건:
[수학식 9]
sin(αm) = λ(2jm+1)/2mP
을 반드시 만족시켜야 한다.

Claims (6)

  1. 입사 광빔(100)을 확장시키는 펄스 확장기에 있어서,
    - 상기 입사 광빔(100)을 제 1 광빔(107) 및 제 2 광빔(108)으로 그리고 둘 이상의 추가적인 광빔(122)으로 분할하는 것으로서, 상기 제 1 광빔(107)이 지연 없이 투과하여 제 1 진행 방향으로 진행하도록 하는 빔스플리터(101, 111),
    - 상기 투과된 제 1 광빔(107)에 대해 상기 제 2 광빔(108)을 지연시키고 상기 둘 이상의 추가적인 광빔(122) 중 하나를 상기 제 2 광빔에 대해 그리고 상기 둘 이상의 추가적인 광빔들 중 다른 광빔들에 대해 지연시키는 지연 라인(103, 104, 105, 106),
    - 상기 지연된 제 2 광빔(108)이 제 2 방향으로 진행하도록 상기 투과된 제 1 광빔(107)에 대하여 상기 지연된 제 2 광빔(108)을 편향시키며 또한 상기 투과된 제 1 광빔(107)에 대하여 및 상기 지연된 제 2 광빔에 대하여 그리고 상기 둘 이상의 추가적인 광빔들 중 다른 광빔들에 대하여 상기 지연된 둘 이상의 추가적인 광빔(122) 중 하나를 편향시키는 편향 소자(101, 102b; 111, 112)를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 확장기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 광빔(108) 및 상기 둘 이상의 추가적인 광빔(122)을 편향시키기 위하여 상기 제 2 광빔(108)의 빔 경로에 웨지(102b)가 배치된 것을 특징으로 하는 펄스 확장기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 진행 방향, 상기 제 2 진행 방향, 상기 둘 이상의 추가적인 진행 방향 중에서 하나 이상의 진행 방향을 자동으로 또는 수동으로 조절하는 진행 방향 조절 소자(112)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 확장기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 조절 소자는 이동 가능한 미러(112)인 것을 특징으로 하는 펄스 확장기.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 광빔(107)의 피크 강도(A4), 상기 제 2 광빔(108)의 피크 강도(A5), 상기 둘 이상의 추가적인 광빔(122)의 피크 강도 중에서 하나 이상의 피크 강도를 자동으로 또는 수동으로 조절하는 피크 강도 조절 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 확장기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 입력 광빔(107, 108) 그리고 상기 둘 이상의 추가적인 광빔(122)의 피크 강도(A4,A5)가 동일하게 조절되는 것을 특징으로 하는 펄스 확장기.
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