KR102554342B1 - 회절 광학 소자를 포함한 에프세타 렌즈 및 이를 구비한 광학 시스템 - Google Patents

회절 광학 소자를 포함한 에프세타 렌즈 및 이를 구비한 광학 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 에프세타 렌즈에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 의한 에프세타 렌즈는, 회절 광학 소자 및 복수의 구면 렌즈들을 포함한다. 상기 회절 광학 소자는, 일면 상에 배치된 3 레벨 이상의 멀티 레벨 회절 구조체를 포함하며, 레이저 빔이 진행하는 경로 상에서 상기 구면 렌즈들에 앞서 제1 요소로서 배치된다.

Description

회절 광학 소자를 포함한 에프세타 렌즈 및 이를 구비한 광학 시스템{F-THETA LENS WITH DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENT AND OPTICAL SYSTEM INCLUDING THE F-THETA LENS}
본 발명의 실시예는 에프세타 렌즈 및 이를 구비한 광학 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로 회절 광학 소자를 포함한 에프세타 렌즈 및 이를 구비한 광학 시스템에 관한 것이다.
현재, 표시 패널 등의 각종 전자 장치에 이용되는 기판을 가공함에 있어, 레이저 빔을 이용한 가공 방식이 널리 이용되고 있다. 이와 같이 기판을 가공함에 있어, 펄스 지속시간(또는, 펄스 폭)이 짧은 초단파의 레이저 빔, 일례로 펨토초 레이저 빔(femtosecond laser beam)을 이용할 경우, 레이저 빔의 에너지가 열로 전환되기 이전에 기판을 가공할 수 있기 때문에, 열로 인한 기판의 손상을 방지할 수 있다. 하지만, 레이저 빔의 펄스 지속시간이 짧아질수록 스펙트럼 대역폭(spectral bandwidth)이 증가하게 되어, 목표 지점(예컨대, 기판과 같은 가공 대상물의 일 영역 상에 설정된 초점 면)에 레이저 빔을 집속(focusing)하기 어려워진다. 또한, 상기 레이저 빔을 목표 지점에 정확히 집속하기 위하여 다수의 광학 소자들을 배치할 수 있지만, 이 경우 광학 시스템의 구조가 복잡해질 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 펨토초 레이저 빔을 회절 한계 스폿(diffraction limited spot)에 집속하며 비교적 단순한 구조로 구현될 수 있는 에프세타 렌즈 및 이를 구비한 광학 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 의한 에프세타 렌즈는, 회절 광학 소자 및 복수의 구면 렌즈들을 포함한다. 상기 회절 광학 소자는, 일면 상에 배치된 3 레벨 이상의 멀티 레벨 회절 구조체를 포함하며, 레이저 빔이 진행하는 경로 상에서 상기 구면 렌즈들에 앞서 제1 요소로서 배치된다.
실시예에 따라, 상기 회절 광학 소자 및 상기 구면 렌즈들은 모두 용융 실리카로 이루어질 수 있다.
실시예에 따라, 상기 회절 광학 소자는 각각 평면으로 구현된 전면 및 후면을 포함하며, 상기 회절 구조체는 상기 후면 상에 배치될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 회절 구조체는 복수의 링으로 구성된 축 대칭 구조를 가질 수 있다.
실시예에 따라, 상기 회절 구조체는 8 레벨의 회절 구조체로 구현될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 회절 광학 소자의 초점 거리 대 상기 에프세타 렌즈의 초점 거리의 비는 1.5 이상일 수 있다.
실시예에 따라, 상기 구면 렌즈들은, 평면-오목 렌즈로서의 제1 렌즈, 메니스커스 렌즈로서의 제2 렌즈, 오목-볼록 렌즈로서의 제3 렌즈, 및 볼록-볼록 렌즈로서의 제4 렌즈를 포함하며, 상기 제1 내지 제4 렌즈는 상기 회절 광학 소자의 후단에 순차적으로 배치될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 에프세타 렌즈의 초점 거리에 대한 상기 회절 광학 소자 및 상기 제1 내지 제4 렌즈 각각의 초점 거리의 비는, 5%의 허용 오차를 가지고 아래의 (1) 내지 (5)의 조건을 만족하도록 설정될 수 있다.
fDOE / fF-theta = 2.1 (1)
f1 / fF-theta = -1.76 (2)
f2 / fF-theta = -3.44 (3)
f3 / fF-theta = 1.46 (4)
f4 / fF-theta = 2.09 (5)
(fDOE는 회절 광학 소자의 초점 거리, fF-theta는 에프세타 렌즈의 초점 거리, f1은 제1 렌즈의 초점 거리, f2는 제2 렌즈의 초점 거리, f3은 제3 렌즈의 초점 거리, f4는 제4 렌즈의 초점 거리)
본 발명의 실시예에 의한 광학 시스템은, 레이저 빔을 방출하기 위한 레이저 발생기; 상기 레이저 빔의 진행 방향을 조절하기 위한 스캐너; 및 상기 스캐너의 후단에 순차적으로 배치된 회절 광학 소자 및 복수의 구면 렌즈들을 구비한 에프세타 렌즈를 포함한다. 그리고, 상기 회절 광학 소자는, 일면 상에 배치된 3 레벨 이상의 멀티 레벨 회절 구조체를 포함한다.
본 발명의 실시예에 의한 에프세타 렌즈 및 이를 구비한 광학 시스템은, 상기 에프세타 렌즈의 광학 소자들 중 구면 렌즈들에 앞서 제1 요소로서 배치되는 회절 광학 소자를 포함한다. 이에 따라, 비교적 단순한 구조로 에프세타 렌즈를 구성하면서도, 스펙트럼 대역폭이 넓은 펨토초 레이저 빔에 대해서도 색수차를 보정하고 상기 펨토초 레이저 빔을 회절 한계 스폿에 높은 효율로 집속할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 회절 광학 소자를 3 레벨 이상의 멀티 레벨 회절 광학 소자로 구성한다. 이에 따라, 상기 회절 광학 소자의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 에프세타 렌즈 및 이를 구비한 광학 시스템을 나타낸다.
도 2는 피코초 레이저와 펨토초 레이저의 스펙트럼 대역폭을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 에프세타 렌즈 및 이를 구비한 광학 시스템을 나타낸다.
도 4는 도 3에 도시된 에프세타 렌즈의 일 영역을 확대하여 나타낸다.
도 5a는 도 1의 실시예에 의한 에프세타 렌즈를 이용하였을 경우, 펨토초 레이저에 대한 기판 상의 초점 면에서의 세기 분포를 나타낸다.
도 5b는 도 3의 실시예에 의한 에프세타 렌즈를 이용하였을 경우, 펨토초 레이저에 대한 기판 상의 초점 면에서의 세기 분포를 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 도 3 및 도 4에 도시된 회절 광학 소자의 일 영역을 확대 도시한 평면도 및 단면도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 회절 광학 소자에서 발생하는 위상 변화를 나타낸다.
도 8a는 2 레벨 회절 광학 소자를 이용하였을 경우, 도 7의 AR1 영역에서 발생하는 위상 변화를 나타낸다.
도 8b는 도 8a의 2 레벨 회절 광학 소자를 통과한 레이저 빔에 대한 기판 상의 초점 면에서의 세기 분포를 나타낸다.
도 8c는 도 8a의 2 레벨 회절 광학 소자를 통과한 레이저 빔에 대한 기판 상의 초점 면에서의 세기 분포를, 특정 X 좌표 상에서의 Y 좌표에 따라 나타낸다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 의해 8 레벨 회절 광학 소자를 이용하였을 경우, 도 7의 AR1 영역에서 발생하는 위상 변화를 나타낸다.
도 9b는 도 9a의 8 레벨 회절 광학 소자를 통과한 레이저 빔에 대한 기판 상의 초점 면에서의 세기 분포를 나타낸다.
도 9c는 도 9a의 8 레벨 회절 광학 소자를 통과한 레이저 빔에 대한 기판 상의 초점 면에서의 세기 분포를, 특정 X 좌표 상에서의 Y 좌표에 따라 나타낸다.
도 10은 도 3 및 도 4에 도시된 에프세타 렌즈의 기계적 설계 구조에 대한 실시예를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기에 설명하는 실시예는 그 표현 여부에 관계없이 예시적인 것에 불과하다. 즉, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있을 것이다.
한편, 도면에서 본 발명의 특징과 직접적으로 관계되지 않은 일부 구성 요소는 본 발명을 명확하게 나타내기 위하여 생략되었을 수 있다. 또한, 도면 상의 일부 구성 요소는 그 크기나 비율 등이 다소 과장되어 도시되었을 수 있다. 도면 전반에서 동일 또는 유사한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조 부호를 부여하였다.
텔레센트릭 에프세타 렌즈(telecentric f-theta lens)는 레이저 커팅이나 드릴링 등에 이용될 수 있다. 일반적으로, 광학 시스템(또는, 광학 스캐닝 시스템)은 레이저 광원, 빔 익스팬더 및 갈바노미터를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 에프세타 렌즈 및 이를 구비한 광학 시스템을 나타낸다. 실시예에 따라, 상기 에프세타 렌즈는 텔레센트릭 에프세타 렌즈, 특히 UV 에프세타 렌즈일 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 광학 시스템은, 레이저 발생기(10), 스캐너(또는, 갈바노미터)(20) 및 에프세타 렌즈(30)를 포함한다. 레이저 발생기(10)로부터 스캐너(20) 및 에프세타 렌즈(30)를 통과한 레이저 빔이 도달할 수 있는 위치에는, 기판(40)과 같은 가공 대상물이 배치될 수 있다.
레이저 발생기(10)는 레이저를 발진하여 레이저 빔을 방출한다. 실시예에 따라, 레이저 발생기(10)는, 초단파 레이저, 일례로 펨토초 레이저를 발진하여 레이저 빔을 방출할 수 있다.
스캐너(20)는 적어도 하나의 미러, 일례로, 두 개의 미러를 포함할 수 있다. 이러한 스캐너(20)는 미러의 각도를 조절하여 레이저 발생기(10)로부터 입사되는 레이저 빔의 진행 방향을 조절할 수 있다.
에프세타 렌즈(30)는 스캐너(20)의 후단에 순차적으로 배치된 복수의 구면 렌즈들(spherical lenses)을 포함한다. 또한, 상기 에프세타 렌즈(30)는 구면 렌즈들의 후단에 배치된 보호창(protective window)(35)을 더 포함할 수 있다.
구면 렌즈들의 적어도 일면은 소정 곡률을 가지고 오목 또는 볼록한 형태의 구면으로 구현될 수 있다. 실시예에 따라, 상기 구면 렌즈들은 스캐너(20)의 후단에 순차적으로 배치된 제1 렌즈(31), 제2 렌즈(32), 제3 렌즈(33) 및 제4 렌즈(34)를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 제1 렌즈(31)는 평면-오목 렌즈(plano-concave lens)일 수 있고, 제2 렌즈(32)는 메니스커스 렌즈(meniscus lens)일 수 있다. 또한, 제3 렌즈(33)는 오목-볼록 렌즈(concave-convex lens)일 수 있고, 제4 렌즈(34)는 볼록-볼록 렌즈(양면 볼록 렌즈)(convex-convex lens)일 수 있다.
상술한 실시예에 의한 에프세타 렌즈(30) 및 이를 포함한 광학 시스템은, 피코초 레이저에 대해서는 적절히 동작하여 피코초 레이저 빔을 기판(40)의 일면(초점 면) 상에 스캐닝 또는 집속한다. 하지만, 상기 에프세타 렌즈(30) 및 이를 포함한 광학 시스템은, 펨토초 레이저와 같은 초단파 레이저에 대해서는 색수차(chromatic aberrations)를 발생시키고, 비교적 낮은 집속(focusing) 효율을 나타낼 수 있다.
구체적으로, 도 2는 피코초 레이저와 펨토초 레이저의 스펙트럼 대역폭을 나타낸다. 도 2를 참조하면, 펨토초 레이저는 피코초 레이저에 비해 확장된 스펙트럼 대역폭을 가진다. 이러한 펨토초 레이저에 의한 레이저 빔을 상술한 실시예에 의한 에프세타 렌즈(30) 및 이를 포함한 광학 시스템을 이용하여 스캐닝할 경우, 색수차가 발생하고, 집속 효율이 저하되어 원하는 가공 효과를 얻기 어려울 수 있다.
한편, 현재 강력한 UV 레이저, 일례로 대략 30W 정도의 UV 레이저에 대하여 렌즈를 제작하는 데 이용될 수 있는 물질은 다소 한정적이다. 일례로, 이러한 UV 레이저에 대한 렌즈의 제작에 이용될 수 있는 물질은 용융 실리카(fused silica)와 불화 칼슘(calcium fluoride)으로 한정될 수 있다. 따라서, 측방향 컬러 쉬프트(lateral color shift)를 보상하기 위하여 서로 다른 물질을 사용하는 방식을 이용하기는 어려울 수 있다. 특히, 불화 칼슘은 처리가 어렵고 대량의 렌즈 제작에는 적합하지 않은 물질이다. 따라서, 대량 생산을 위해서, 모든 렌즈들은 용융 실리카로 이루어져야 한다. 즉, 실시예에 따라 제1 내지 제4 렌즈들(31 내지 34)은 모두 용융 실리카로 이루어질 수 있다. 또한, 보호창(35)도 용융 실리카로 이루어질 수 있다. 하지만, 상술한 실시예에 의한 에프세타 렌즈(30)는 펨토초 레이저에 대한 측방향 컬러 쉬프트를 보상하기는 어려울 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 에프세타 렌즈 및 이를 구비한 광학 시스템을 나타낸다. 그리고, 도 4는 도 3에 도시된 에프세타 렌즈의 일 영역을 확대하여 나타낸다. 도 3 및 도 4의 실시예에서, 도 1의 실시예와 유사 또는 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에 의한 에프세타 렌즈(30')는, 레이저 빔이 진행하는 경로 상에서 구면 렌즈들의 전단에 배치되는 회절 광학 소자(diffractive optical element: DOE)(36)를 더 포함한다. 즉, 본 실시예에 의한 에프세타 렌즈(30')는, 스캐너(20)의 후단에 순차적으로 배치된 회절 광학 소자(36) 및 복수의 구면 렌즈들(예컨대, 회절 광학 소자(36)의 후단에 순차적으로 배치된 제1 내지 제4 렌즈들(31 내지 34))을 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 회절 광학 소자(36)는 음의 아베수(Abbe number)를 가지며, 에프세타 렌즈(30')에 구비된 다른 광학 소자들과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 회절 광학 소자(36)는 용융 실리카로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 회절 광학 소자(36)는 프레넬 렌즈로 구성될 수 있다. 이러한 회절 광학 소자(36)는 에프세타 렌즈(30')의 광학 소자들 중 가장 앞단에 제1 요소로서 배치되어, 색수차 보정을 위해 이용될 수 있다.
상술한 실시예에 의하면, 에프세타 렌즈(30')의 모든 광학 소자들(즉, 회절 광학 소자(36), 제1 내지 제4 렌즈들(31 내지 34) 및 보호창(35))을 모두 용융 실리카로 제조할 수 있다. 이에 따라, 강력한 UV 레이저 빔을 이용한 레이저 가공 등을 비롯하여 다양한 가공 공정에 폭넓게 이용될 수 있는 에프세타 렌즈(30') 및 광학 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 회절 광학 소자(36)를 이용하여 색수차를 보정함으로써, 스펙트럼 대역폭이 넓은 펨토초 레이저 빔에 대해서도 색수차를 보정하고 상기 펨토초 레이저 빔을 회절 한계 스폿에 높은 효율로 집속할 수 있다. 추가적으로, 에프세타 렌즈(30')의 광학 소자들 중 회절 광학 소자(36)를 가장 앞단에 제1 요소로서 배치함으로써, 에프세타 렌즈(30')의 크기를 줄이고 그 구조를 단순화할 수 있다. 즉, 상술한 실시예에 의하면, 비교적 단순한 구조로 구현되면서도 색수차 보정이 가능한 에프세타 렌즈(30') 및 이를 포함한 광학 시스템을 제공할 수 있다.
도 5a는 도 1의 실시예에 의한 에프세타 렌즈를 이용하였을 경우, 펨토초 레이저에 대한 기판 상의 초점 면에서의 세기 분포를 나타낸다. 그리고, 도 5b는 도 3의 실시예에 의한 에프세타 렌즈를 이용하였을 경우, 펨토초 레이저에 대한 기판 상의 초점 면에서의 세기 분포를 나타낸다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 도 1의 실시예에 의한 에프세타 렌즈(30)를 이용하여 펨토초 레이저 빔을 초점 면(focal plane) 상에 스캐닝(또는 집속)할 경우, 상기 초점 면 상에서 색수차가 발생하여 타원 형태로 레이저 빔의 세기 분포가 나타나게 된다. 반면, 도 3의 실시예와 같이 회절 광학 소자(36)를 구비한 에프세타 렌즈(30')를 이용하여 펨토초 레이저 빔을 초점 면 상에 스캐닝(또는 집속)할 경우, 상기 초점 면 상의 스캐닝 영역의 코너에서 색수차에 의해 발생하였던 레이저 빔의 타원율(ellipticity)이 보정된 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 3의 실시예에 의한 에프세타 렌즈(30')를 이용할 경우, 펨토초 레이저와 같은 초단파 레이저를 이용할 때 발생할 수 있는 색수차를 보정하고, 높은 효율 및/또는 정확도로 원하는 목표 지점에 레이저 빔을 집속할 수 있게 된다.
도 6a 및 도 6b는 도 3 및 도 4에 도시된 회절 광학 소자의 일 영역을 확대 도시한 평면도 및 단면도를 나타낸다. 그리고, 도 7은 본 발명의 실시예에 의한 회절 광학 소자에서 발생하는 위상 변화(phase variation)를 나타내는 것으로서, 구체적으로 상기 회절 광학 소자에 분포되는 링의 분포 형태를 나타낸다. 도 7에서, AR1 영역은 최대 링 밀도를 가지는 회절 광학 소자의 일 영역을 나타낸다.
도 6a 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 에프세타 렌즈(30')는 축 대칭 구조를 가지며, 따라서 회절 광학 소자(36)도 축 대칭 구조를 가지도록 제조될 수 있다. 이러한 회절 광학 소자(36)는 일면 상에 배치된 회절 구조체(diffractive structure)(36b)를 포함할 수 있다. 예컨대, 회절 광학 소자(36)는 각각 평면으로 구현된 전면(SURF1) 및 후면(SURF2)을 포함하며, 상기 전면(SURF1) 및 후면(SURF2) 중 적어도 일면 상에 배치 및/또는 형성된 회절 구조체(36b)를 포함할 수 있다.
일례로, 회절 광학 소자(36)는 각각 평면 형태의 전면(SURF1) 및 후면(SURF2)을 포함하는 평판(flat plate)(36a)을 포함하며, 상기 평판(36a)을 베이스 기재로 하여 상기 평판(36a)의 어느 일면 상에 형성된 회절 구조체(36b)를 포함할 수 있다.
이와 같이, 평판(36a) 상의 어느 일면에 회절 구조체(36b)와 같은 회절 패턴을 형성할 경우, 포토 공정 등을 통해 용이하게 회절 패턴을 형성할 수 있으며, 또한 상기 회절 패턴을 정교하게 형성할 수 있게 된다.
실시예에 따라, 회절 구조체(36b)는 복수의 링으로 구성된 축 대칭 구조를 가질 수 있다. 즉, 회절 광학 소자(36)의 축 대칭 구조는 링 형태로 제조될 수 있다. 실시예에 따라, 각 링은 파면 위상(wavefront phase)을 2π씩 변경할 수 있다.
또한, 회절 구조체(36b)는 회절 광학 소자(36)의 전면(SURF1) 또는 후면(SURF2) 상에 배치될 수 있다. 예컨대, 상기 회절 구조체(36b)는 구면 렌즈들과 마주하는 일면(즉, 후면(SURF2)) 상에 형성될 수 있다. 이와 같이, 회절 구조체(36b)가, 외부로부터 가려지는 후면(SURF2)에 형성될 경우, 먼지 등의 오염물질로부터 회절 광학 소자(36)(특히, 회절 구조체(36b))를 보호함과 더불어, 상기 회절 광학 소자(36)의 기계적 손상을 방지할 수 있다.
회절 광학 소자(36)의 지속적인 위상 프로파일을 얻는 것은 어려우며, 대신 상기 회절 광학 소자(36)는 계단 구조로 제조될 수 있다. 일례로, 회절 광학 소자(36)는 두 레벨의 이진 구조(binary structure)로 제조될 수 있다. 이하에서는 이진 구조의 회절 광학 소자를 "2 레벨 회절 광학 소자"라 하기로 한다. 상기 2 레벨 회절 광학 소자의 효율(주요 차수(main order)의 에너지의 양)(η1)은 아래의 수학식 1로부터 추정될 수 있다.
Figure 112017125114163-pat00001
수학식 1에서, N은 층의 개수를 의미한다. 일례로, 2 레벨의 이진 구조에서 N은 2이며, 이 경우 2 레벨 회절 광학 소자의 효율(η1)은 대략 40%에 불과하다.
이에, 본 발명의 일 실시예에서는 3 레벨 이상으로 회절 구조체(36b)를 형성할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 회절 광학 소자(36)는 어느 일면(예컨대, 후면(SURF2)) 상에 배치된 3 레벨 이상의 멀티 레벨 회절 구조체(36b)를 포함하는 멀티 레벨 회절 광학 소자로 구성될 수 있다. 일례로, 본 발명의 실시예에 의한 회절 광학 소자(36)는 8 레벨의 회절 구조체(36b)를 포함한 8 레벨 회절 광학 소자로 구현될 수 있다. 상술한 바와 같이 3 레벨 이상으로 구현되는 회절 광학 소자(36)를 이용할 경우, 대략 60% 이상의 효율(η1)을 얻을 수 있다.
한편, 설계상 많은 수의 링을 제조하기는 어렵기 때문에, 회절 광학 소자(36)의 회절 패턴(즉, 회절 구조체(36b))을 구성하는 링의 개수를 줄일 필요가 있다. 이와 관련하여, 도 7에 도시된 실시예의 경우, 회절 광학 소자(36)에 형성된 링의 개수는 대략 3000개일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 에프세타 렌즈(30') 및 이를 포함한 광학 시스템의 최적화된 설계를 위해서는, 회절 광학 소자(36)의 초점 거리(focal length)를 에프세타 렌즈(30')의 EFL(effective focal length) 이상으로 유지하는 것이 중요하다. 이를 위해, 본 발명의 실시예에서는, 상기 회절 광학 소자(36)의 초점 거리(fDOE) 대 에프세타 렌즈(30')의 초점 거리(fF-theta)의 비를 1.5 이상으로 설정(또는 설계)할 수 있다. (즉, fDOE/fF-theta≥1.5)
도 8a는 2 레벨 회절 광학 소자를 이용하였을 경우, 도 7의 AR1 영역에서 발생하는 위상 변화를 나타내고, 도 8b는 도 8a의 2 레벨 회절 광학 소자를 통과한 레이저 빔에 대한 기판 상의 초점 면에서의 세기 분포를 나타낸다. 그리고, 도 8c는 도 8a의 2 레벨 회절 광학 소자를 통과한 레이저 빔에 대한 기판 상의 초점 면에서의 세기 분포를, 특정 X 좌표 상에서의 Y 좌표에 따라 나타낸 것으로서, 일례로 초점 면에서의 X 좌표가 0인 위치에서, Y 좌표에 따른 레이저 빔의 세기 분포를 나타낸다.
한편, 도 9a는 본 발명의 일 실시예에 의해 8 레벨 회절 광학 소자를 이용하였을 경우, 도 7의 AR1 영역에서 발생하는 위상 변화를 나타내고, 도 9b는 도 9a의 8 레벨 회절 광학 소자를 통과한 레이저 빔에 대한 기판 상의 초점 면에서의 세기 분포를 나타낸다. 그리고, 도 9c는 도 9a의 8 레벨 회절 광학 소자를 통과한 레이저 빔에 대한 기판 상의 초점 면에서의 세기 분포를, 특정 X 좌표 상에서의 Y 좌표에 따라 나타낸 것으로서, 일례로 초점 면에서의 X 좌표가 0인 위치에서, Y 좌표에 따른 레이저 빔의 세기 분포를 나타낸다.
도 8a 내지 도 8c와, 도 9a 내지 도 9c를 비교하면, 8 레벨 회절 광학 소자를 이용하여 레이저 빔(일례로, 펨토초 레이저 빔)을 초점 면 상에 조사할 경우, 2 레벨 회절 광학 소자를 이용할 경우에 비해 상기 레이저 빔을 목표 지점에 보다 높은 정확도 및 효율로 집속할 수 있음을 확인할 수 있다.
예컨대, 본 발명의 실시예에 의한 회절 광학 소자(36)를 8 레벨의 회절 광학 소자로 구현하였을 경우, 주요 차수 대 기생 차수의 세기 비(ratio of main order intensity to parasitic orders)를 10000배 이상으로 얻을 수 있다.
도 10은 도 3 및 도 4에 도시된 에프세타 렌즈의 기계적 설계 구조에 대한 실시예를 나타낸다. 도 10에서, 앞서 설명한 구성 요소들에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 10을 참조하면, 에프세타 렌즈(30')는, 하우징(37)과, 상기 하우징(37)의 내부에 구비(또는 장착)된 광학 소자들을 포함할 수 있다. 상기 광학 소자들은, 레이저 빔의 입사 방향으로부터 출사 방향을 따라 순차적으로 배치된 회절 광학 소자(36), 제1 내지 제4 렌즈(31 내지 34) 및 보호창(35)을 포함한다.
실시예에 따라, 앞서 설명한 바와 같이 회절 광학 소자(36)는 3 레벨 이상의 회절 광학 소자, 예컨대 8 레벨의 회절 광학 소자일 수 있다. 그리고, 상기 회절 광학 소자(36)의 초점 거리(fDOE) 대 에프세타 렌즈(30')의 초점 거리(fF-theta)의 비는 1.5 이상으로 설정(또는 설계)될 수 있다.
일례로, 본 발명의 실시예에서, 에프세타 렌즈(30')의 초점 거리(fF-theta)에 대한 회절 광학 소자(36) 및 제1 내지 제4 렌즈(31 내지 34) 각각의 초점 거리(fDOE, f1, f2, f3, f4)의 비는, 5%의 허용 오차를 가지고 아래의 (1) 내지 (5)의 조건을 만족하도록 설정될 수 있다.
fDOE / fF-theta = 2.1 (1)
f1 / fF-theta = -1.76 (2)
f2 / fF-theta = -3.44 (3)
f3 / fF-theta = 1.46 (4)
f4 / fF-theta = 2.09 (5)
여기서, fDOE는 회절 광학 소자(36)의 초점 거리를, fF-theta는 에프세타 렌즈(30')의 초점 거리를, f1은 제1 렌즈(31)의 초점 거리를, f2는 제2 렌즈(32)의 초점 거리를, f3은 제3 렌즈(33)의 초점 거리를, 그리고, f4는 제4 렌즈(34)의 초점 거리를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 에프세타 렌즈(30')를 구성하는 각 광학 소자들(즉, 회절 광학 소자(36), 제1 내지 제4 렌즈(31 내지 34) 및/또는 보호창(35))과, 기판(40)의 곡률 반경, 두께 및 인접 요소 간 거리, 구성 물질, 및 반지름은 아래의 표 1과 같이 설계될 수 있다. 다만, 표 1은 단지 본 발명의 일 실시예에 의한 설계 수치를 나타낸 것으로서, 이는 변경 실시될 수 있음은 물론이다.
Figure 112017125114163-pat00002
표 1에서, DOE는 회절 광학 소자(36)를, LENS1, LENS2, LENS3, LENS4는 각각 제1 렌즈(31), 제2 렌즈(32), 제3 렌즈(33) 및 제4 렌즈(34)를, Window는 보호창(35)을, Substrate는 가공 대상물인 기판(40), 특히 기판(40)의 초점 면을 나타낸다. 그리고, F_SILICA는 용융 실리카를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 2 레벨 회절 광학 소자를 기준으로, 상기 2 레벨 회절 광학 소자의 사양은 아래의 표 2와 같이 설계될 수 있다. 표 2는 광학 장비 시뮬레이터의 일종인 Zemax를 기준으로 한 사양을 나타낸 것이며, 수치 단위는 mm이다.
Figure 112017125114163-pat00003
표 2의 계수는 아래의 수학식 2에서와 같이 다항식 위상 프로파일을 나타낸다.
Figure 112017125114163-pat00004
수학식 2에서, N은 다항식 계수의 개수이고, Ai는 방사상의 구경 좌표(normalized radial aperture coordinate)인 ρ의 2승에 대한 계수이며, M은 회절 차수를 의미한다.
다만, 표 2는 회절 광학 소자(36)와 관련된 설계 수치 등을 단지 예시적으로 나타낸 것으로서, 본 발명이 이에 한정되지는 않는다. 즉, 본 발명의 실시예에 의한 회절 광학 소자(36)의 설계 수치 등은 다양하게 변경 실시될 수 있을 것이다.
본 발명의 기술 사상은 전술한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라, 특허 청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다. 또한, 특허 청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 레이저 발생기 20: 스캐너
30, 30': 에프세타 렌즈 31: 제1 렌즈
32: 제2 렌즈 33: 제3 렌즈
34: 제4 렌즈 35: 보호창
36: 회절 광학 소자 37: 하우징
40: 기판

Claims (16)

  1. 회절 광학 소자 및 복수의 구면 렌즈들을 포함하며,
    상기 회절 광학 소자는, 일면 상에 배치된 3 레벨 이상의 멀티 레벨 회절 구조체를 포함하며, 레이저 빔이 진행하는 경로 상에서 상기 구면 렌즈들에 앞서 제1 요소로서 배치되고,
    상기 구면 렌즈들은, 평면-오목 렌즈로서 상기 회절 광학 소자에 인접한 제1 렌즈를 포함하고,
    상기 구면 렌즈들은, 메니스커스 렌즈로서의 제2 렌즈, 오목-볼록 렌즈로서의 제3 렌즈, 및 볼록-볼록 렌즈로서의 제4 렌즈를 더 포함하며,
    상기 제1 내지 제4 렌즈는 상기 회절 광학 소자의 후단에 순차적으로 배치된 에프세타 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회절 광학 소자 및 상기 구면 렌즈들은 모두 용융 실리카로 이루어진 에프세타 렌즈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회절 광학 소자는 각각 평면으로 구현된 전면 및 후면을 포함하며,
    상기 회절 구조체는 상기 후면 상에 배치된 에프세타 렌즈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회절 구조체는 복수의 링으로 구성된 축 대칭 구조를 가지는 에프세타 렌즈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회절 구조체는 8 레벨의 회절 구조체로 구현된 에프세타 렌즈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 회절 광학 소자의 초점 거리 대 상기 에프세타 렌즈의 초점 거리의 비는 1.5 이상인 에프세타 렌즈.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 에프세타 렌즈의 초점 거리에 대한 상기 회절 광학 소자 및 상기 제1 내지 제4 렌즈 각각의 초점 거리의 비는, 5%의 허용 오차를 가지고 아래의 (1) 내지 (5)의 조건을 만족하도록 설정된 에프세타 렌즈.
    fDOE / fF-theta = 2.1 (1)
    f1 / fF-theta = -1.76 (2)
    f2 / fF-theta = -3.44 (3)
    f3 / fF-theta = 1.46 (4)
    f4 / fF-theta = 2.09 (5)
    (fDOE는 회절 광학 소자의 초점 거리, fF-theta는 에프세타 렌즈의 초점 거리, f1은 제1 렌즈의 초점 거리, f2는 제2 렌즈의 초점 거리, f3은 제3 렌즈의 초점 거리, f4는 제4 렌즈의 초점 거리)
  9. 레이저 빔을 방출하기 위한 레이저 발생기;
    상기 레이저 빔의 진행 방향을 조절하기 위한 스캐너; 및
    상기 스캐너의 후단에 순차적으로 배치된 회절 광학 소자 및 복수의 구면 렌즈들을 구비한 에프세타 렌즈를 포함하며,
    상기 회절 광학 소자는, 일면 상에 배치된 3 레벨 이상의 멀티 레벨 회절 구조체를 포함하고,
    상기 구면 렌즈들은, 평면-오목 렌즈로서 상기 회절 광학 소자에 인접한 제1 렌즈를 포함하고,
    상기 구면 렌즈들은, 메니스커스 렌즈로서의 제2 렌즈, 오목-볼록 렌즈로서의 제3 렌즈, 및 볼록-볼록 렌즈로서의 제4 렌즈를 더 포함하며,
    상기 제1 내지 제4 렌즈는 상기 회절 광학 소자의 후단에 순차적으로 배치된 광학 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 회절 광학 소자 및 상기 구면 렌즈들은 모두 용융 실리카로 이루어진 광학 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 회절 광학 소자는 각각 평면으로 구현된 전면 및 후면을 포함하며,
    상기 회절 구조체는 상기 후면 상에 배치된 광학 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 회절 구조체는 복수의 링으로 구성된 축 대칭 구조를 가지는 광학 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 회절 구조체는 8 레벨의 회절 구조체인 광학 시스템.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 회절 광학 소자의 초점 거리 대 상기 에프세타 렌즈의 초점 거리의 비는 1.5 이상인 광학 시스템.
  15. 삭제
  16. 제9항에 있어서,
    상기 에프세타 렌즈의 초점 거리에 대한 상기 회절 광학 소자 및 상기 제1 내지 제4 렌즈 각각의 초점 거리의 비는, 5%의 허용 오차를 가지고 아래의 (1) 내지 (5)의 조건을 만족하도록 설정된 광학 시스템.
    fDOE / fF-theta = 2.1 (1)
    f1 / fF-theta = -1.76 (2)
    f2 / fF-theta = -3.44 (3)
    f3 / fF-theta = 1.46 (4)
    f4 / fF-theta = 2.09 (5)
    (fDOE는 회절 광학 소자의 초점 거리, fF-theta는 에프세타 렌즈의 초점 거리, f1은 제1 렌즈의 초점 거리, f2는 제2 렌즈의 초점 거리, f3은 제3 렌즈의 초점 거리, f4는 제4 렌즈의 초점 거리)
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