KR101865224B1 - 레이저 결정화 장치 및 레이저 결정화 방법 - Google Patents

레이저 결정화 장치 및 레이저 결정화 방법 Download PDF

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Abstract

레이저 결정화 장치를 제공한다. 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 결정화 장치는 복수의 광원부, 상기 복수의 광원부에서 발생한 레이저 빔이 각각 입사하는 복수의 렌즈 어레이 그리고 상기 복수의 렌즈 어레이를 통과한 각각의 레이저 빔을 합성하는 광학계를 포함하고, 상기 복수의 렌즈 어레이 각각은 복수의 광분할부를 포함하고, 상기 복수의 레이저 빔의 중심부 각각이 상기 복수의 광분할부를 통과하는 복수의 통과점은 상기 각각의 광분할부에서 대응하는 위치가 서로 다르다.

Description

레이저 결정화 장치 및 레이저 결정화 방법{LASER CRYSTALLIZATION APPARATUS AND LASER CRYSTALLIZATIO METHOD USING THE SAME}
본 발명은 레이저 결정화 장치 및 레이저 결정화 방법에 관한 것이다.
평판 표시 장치의 일종인 액정 표시 장치(liquid crystal display; LCD)와 유기발광 표시 장치(organic light emitting display; OLED)는 소형화 및 경량화 제작이 가능하여 휴대용 전자기기의 표시 장치로 널리 사용되고 있으며, 대면적의 표시 장치로도 적용 영역을 넓혀가고 있다. 특히, 최근 들어 고속 동작특성이 요구되는 표시 장치의 필요성이 대두되어 그 연구가 활발하게 진행되고 있다.
고속 동작특성을 만족하기 위해서는 전기 이동도가 대략 0.1cm/Vsec 내지 0.5cm/Vsec인 비정질 실리콘(amorphous silicon) 대신 다결정 실리콘(poly-silicon)을 이용하여 박막 트랜지스터의 채널부를 형성해야 한다. 다결정 실리콘은 전기 이동도가 대략 100cm/Vsec 내지 300cm/Vsec로서, 비정질 실리콘에 비해 빠른 동작속도를 구현할 수 있다.
다결정 실리콘을 형성하는 방법으로 레이저를 이용한 어닐링(annealing) 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 높은 에너지의 레이저 빔을 유리 기판 등에 증착된 비정질 실리콘 박막에 주사하는 것으로서, 레이저 빔을 주사 받은 비정질 실리콘 박막은 열에 의해 용융된 후 고체로의 고상화 과정을 거쳐 결정화가 이루어진다. 이 방법은 유리 기판에 열에 의한 손상을 주지 않는 장점이 있다.
이와 같이 레이저를 이용한 결정화 방법에서는, 통상 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 가지는 출력 레이저 빔에 대해서 광학계를 이용해 출력 레이저 빔의 에너지 분포를 변형시키게 된다. 즉, 결정화의 균일도와 생산성을 높이기 위해 출력 레이저 빔을 한쪽 방향으로 긴 라인 모양의 레이저 빔으로 변형시켜 사용하고 있다.
액정 표시 장치를 형성하기 위한 유리 기판이 대형화됨에 따라 레이저 출력 에너지도 커져야 하지만 광원의 출력에는 한계가 있다. 이에 따라, 복수의 광원을 사용하여 레이저를 합성하는 기술이 개발되고 있다. 하지만, 레이저를 합성하면 간섭에 따르는 스펙클(speckle)이 발생하여 프로파일 이상부가 생긴다. 또한, 동일한 광학계를 사용하여 레이저 빔 프로파일을 합성하게 되면 프로파일 이상부가 더욱 심해지게 된다. 이 프로파일 이상부는 레이저 결정화의 불균일성의 원인이 되고, 최종적인 표시 장치의 표시 이상을 야기한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 복수의 광원부를 사용하여 레이저 빔을 합성할 때, 표시 이상부의 원인이 되는 프로파일 이상부의 발생을 경감하는 레이저 결정화 장치 및 레이저 결정화 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 결정화 장치는 복수의 광원부, 상기 복수의 광원부에서 발생한 레이저 빔이 각각 입사하는 복수의 렌즈 어레이 그리고 상기 복수의 렌즈 어레이를 통과한 각각의 레이저 빔을 합성하는 광학계를 포함하고, 상기 복수의 렌즈 어레이 각각은 복수의 광분할부를 포함하고, 상기 복수의 레이저 빔의 중심부 각각이 상기 복수의 광분할부를 통과하는 복수의 통과점은 상기 각각의 광분할부에서 대응하는 위치가 서로 다르다.
상기 복수의 광원부 각각에서 발생한 레이저 빔의 프로파일은 가우시안 분포를 가질 수 있다.
상기 복수의 광분할부는 서로 동일한 피치를 가질 수 있다.
상기 복수의 광분할부는 서로 다른 피치를 가질 수 있다.
상기 렌즈 어레이는 실린더리컬 렌즈(Cylinderical Lens)일 수 있다.
상기 복수의 광원부는 제1 광원부와 제2 광원부를 포함하고, 상기 복수의 렌즈 어레이는 제1 렌즈 어레이와 제2 렌즈 어레이를 포함하며, 상기 제1 광원부에서 발생한 레이저 빔이 상기 제1 렌즈 어레이를 통과하여 제1 빔 프로파일을 형성하고, 상기 제2 광원부에서 발생한 레이저 빔이 상기 제2 렌즈 어레이를 통과하여 제2 빔 프로파일을 형성하며, 상기 제1 빔 프로파일과 상기 제2 빔 프로파일 각각이 포함하는 프로파일 이상부의 위치는 서로 다를 수 있다.
상기 복수의 광원부는 서로 동일할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 결정화 장치는 복수의 광원부, 상기 복수의 광원부에서 발생한 레이저 빔이 각각 입사하는 복수의 렌즈 어레이, 상기 복수의 렌즈 어레이를 통과한 각각의 레이저 빔을 합성하는 광학계를 포함하고, 상기 복수의 렌즈 어레이 각각은 복수의 광분할부를 포함하고, 상기 복수의 광분할부는 서로 다른 피치를 갖질 수 있다.
상기 복수의 광원부 각각에서 발생한 레이저 빔의 프로파일은 가우시안 분포를 가질 수 있다.
상기 복수의 광원부는 제1 광원부와 제2 광원부를 포함하고, 상기 복수의 렌즈 어레이는 제1 렌즈 어레이와 제2 렌즈 어레이를 포함하며, 상기 제1 광원부에서 발생한 레이저 빔이 상기 제1 렌즈 어레이를 통과하여 제1 빔 프로파일을 형성하고, 상기 제2 광원부에서 발생한 레이저 빔이 상기 제2 렌즈 어레이를 통과하여 제2 빔 프로파일을 형성하며, 상기 제1 빔 프로파일과 상기 제2 빔 프로파일 각각이 포함하는 프로파일 이상부의 위치는 서로 다를 수 있다.
상기 렌즈 어레이는 실린더리컬 렌즈(Cylinderical Lens)일 수 있다.
상기 복수의 광원부는 서로 동일할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 결정화 방법은 레이저 결정화 장치를 사용하여 비정질 실리콘 기판 위에 레이저 빔을 조사하는 단계를 포함하고, 상기 레이저 빔을 조사하는 단계는 복수의 광원부에서 레이저 빔을 발생하는 단계, 상기 레이저 빔이 복수의 광분할부를 포함하는 복수의 렌즈 어레이를 통과하는 단계 그리고 상기 렌즈 어레이를 통과한 레이저 빔을 합성하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 레이저 빔의 중심부 각각이 상기 복수의 광분할부를 통과하는 복수의 통과점은 상기 각각의 광분할부에서 대응하는 위치가 서로 다르다.
상기 복수의 광원부 각각에서 발생한 레이저 빔의 프로파일은 가우시안 분포를 가질 수 있다.
상기 복수의 광분할부는 서로 동일한 피치를 가질 수 있다.
상기 복수의 광분할부는 서로 다른 피치를 가질 수 있다.
상기 렌즈 어레이는 실린더리컬 렌즈(Cylinderical Lens)를 사용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 결정화 방법은 레이저 결정화 장치를 사용하여 비정질 실리콘 기판 위에 레이저 빔을 조사하는 단계를 포함하고, 상기 레이저 빔을 조사하는 단계는 복수의 광원부에서 레이저 빔을 발생하는 단계, 상기 레이저 빔이 복수의 광분할부를 포함하는 복수의 렌즈 어레이를 통과하는 단계 그리고 상기 렌즈 어레이를 통과한 레이저 빔을 합성하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 광분할부는 서로 다른 피치를 갖도록 형성한다.
상기 복수의 광원부 각각에서 발생한 레이저 빔의 프로파일은 가우시안 분포를 갖도록 형성할 수 있다.
상기 복수의 광원부는 제1 광원부와 제2 광원부를 포함하고, 상기 복수의 렌즈 어레이는 제1 렌즈 어레이와 제2 렌즈 어레이를 포함하며, 상기 제1 광원부에서 발생한 레이저 빔이 상기 제1 렌즈 어레이를 통과하여 제1 빔 프로파일을 형성하고, 상기 제2 광원부에서 발생한 레이저 빔이 상기 제2 렌즈 어레이를 통과하여 제2 빔 프로파일을 형성하며, 상기 제1 빔 프로파일과 상기 제2 빔 프로파일 각각이 포함하는 프로파일 이상부의 위치가 서로 다르도록 형성할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 한 실시예에 따르면, 복수의 빔을 합성한 빛의 에너지 프로파일에 나타나는 프로파일 이상부의 에너지 차이를 줄임으로써 균일성이 높은 다결정 실리콘을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 결정화 장치를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 도 1의 레이저 결정화 장치를 사용하여 레이저 빔을 합성하는 방법을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 결정화 장치를 사용하여 레이저 빔을 합성하는 방법을 나타내는 개략도이다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 결정화 장치를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 레이저 결정화 장치는 복수의 광원부(LS1, LS2), 복수의 렌즈 어레이(OP1, OP2), 복수의 레이저 빔을 합성하는 광학계(OR) 및 이송 스테이지(18)를 포함한다.
비정질 실리콘 박막(16)으로 형성된 기판(14)이 이송 스테이지(18) 위에 고정되고, 비정질 실리콘 박막(16)에는 본 실시예에 따른 레이저 결정화 장치에서 발생된 라인 모양으로 변형된 레이저 빔(20)이 주사된다.
레이저 빔(20)의 위치는 고정되어 있으며, 이송 스테이지(18)가 제1 방향(a2)으로 이동한다. 즉, 이송 스테이지(18)의 이동에 의해 레이저 빔(20)이 비정질 실리콘 박막(16)을 제1 방향(a2)의 반대 방향으로 스캐닝하며 주사되고, 주사된 영역(16a)의 비정질 실리콘은 용융 후 고상화 과정을 거쳐 다결정 실리콘으로 변화한다.
여기서, 광학계는 도시하지 않았지만, 다수의 미러(Mirror)를 포함하고, 발진된 레이저 빔의 에너지 분포 및 방향 등을 변형시켜 레이저 빔을 기판(14)에 주사한다.
광학계를 통과한 레이저 빔은 프로파일 이상부를 포함하는 빔 프로파일을 나타낼 수 있다. 프로파일 이상부는 일정한 값을 나타내는 평탄한 에너지 강도 프로파일 위로 나타나는 피크 등과 같은 불균일부를 말한다. 프로파일 이상부는 렌즈 어레이를 구성하는 각각의 렌즈의 불균일성, 렌즈 사이의 틈의 발생, 이러한 틈에서의 회절 등에 기인할 수 있다. 따라서, 동일한 복수의 광원부에서 발생한 레이저 빔이 동일한 복수의 렌즈 어레이, 동일한 광학계를 통과하면 거의 동일한 프로파일 이상부가 형성되고, 이러한 레이저 빔을 합성하게 되면 프로파일 이상부가 더욱 강조된 빔 프로파일이 생성될 수 있다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 도 2 및 도 3을 참고하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 도 1의 레이저 결정화 장치를 사용하여 레이저 빔을 합성하는 방법을 나타내는 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 렌즈 어레이는 실린더리컬 렌즈 또는 플라이 아이렌즈를 포함한다. 본 실시예에 따른 레이저 결정화 장치는 제1 광원부(LS1)에서 발생한 레이저 빔이 통과하는 제1 렌즈 어레이(OP1), 제2 광원부(LS2)에서 발생한 레이저 빔이 통과하는 제2 렌즈 어레이(OP2)를 포함한다. 보통 레이저 빔을 균일하게 정형하는 광학계(빔 호모지나이저: Beam Homogenizer)는 복수의 렌즈 어레이(실린더리컬 렌즈 어레이: Cylindrical Lens Array, 플라이 아이 렌즈: Fly-eye Lens 등)를 이용하여 빔을 분할, 반전, 재합성한다. 본 실시예에서는 이 가운데 설명의 간소화를 위해 하나의 렌즈 어레이 만을 채용해서 설명을 한다.
제1 렌즈 어레이(OP1)는 복수의 광분할부(P1)를 갖고, 제2 렌즈 어레이(OP2)도 복수의 광분할부(P2)를 갖는다. 광분할부(P1, P2)는 레이저 빔의 진행 방향에 수직한 방향으로 마루와 골이 반복 형성된 실린더리컬 렌즈 모양을 나타낸다. 여기서, 광분할부(P1, P2) 각각은 제1 폭(d1)과 제2 폭(d2)을 갖고 제1 폭(d1)과 제2 폭(d2)은 동일할 수 있다.
제1 광원부(LS1)와 제2 광원부(LS2)는 동일한 출력을 갖는 광원일 수 있다.
제1 광원부(LS1)에서 발생한 제1 레이저 빔과 제2 광원부(LS2)에서 발생한 제2 레이저 빔은 가우시안 분포를 갖고, 제1 레이저 빔의 중심부 및 제2 레이저 빔의 중심부에서 가장 강한 강도를 나타낸다. 제1 레이저 빔의 중심부가 제1 렌즈 어레이(OP1)를 통과하는 지점을 제1 통과점(CP1)이라고 하고, 제2 레이저 빔의 중심부가 제2 렌즈 어레이(OP2)를 통과하는 지점을 제2 통과점(CP2)이라고 할 때, 제1 통과점(CP1)과 제2 통과점(CP2)이 각각의 광분할부(P1, P2)에서 대응하는 위치는 서로 다르다. 다시 말해, 레이저 빔이 진행하는 방향에서 바라보았을 대, 제1 통과점(CP1)은 하나의 광분할부(P1)의 마루 부분에서 오른쪽에 위치하고, 제2 통과점(CP2)은 하나의 광분할부(P2)의 마루 부분에서 왼쪽에 위치한다. 이것은 제1 통과점(CP1)과 제2 통과점(CP2)이 각각의 광분할부(P1, P2)에서 대응하는 위치가 서로 다른 경우의 하나의 예시이고, 다른 방법으로도 변형이 가능하다.
따라서, 제1 렌즈 어레이(OP1)를 통과한 제1 레이저 빔은 제1 프로파일(PF1)을 갖고, 제2 렌즈 어레이(OP2)를 통과한 제2 레이저 빔은 제2 프로파일(PF2)을 가지며, 프로파일 이상부(DS1, DS2)가 서로 다르게 나타난다. 프로파일 이상부(DS1, DS2)는 통상, 레이저 결정화에 영향을 끼치지 않도록 에너지 차이가 3%이하 정도가 되도록 조정된다. 제1 프로파일(PF1)과 제2 프로파일(PF2)을 갖는 레이저 빔을 광학계(OR)를 사용하여 합성하면 제3 프로파일(PF3)을 갖는 레이저 빔을 생성할 수 있다.
본 실시예에 따라 레이저 빔을 합성하면 프로파일 이상부가 강조되지 않고, 합성되기 전의 프로파일 형태로 고에너지의 레이저 빔을 생성할 수 있다. 만약에 프로파일 이상부(DS1, DS2)가 제1 프로파일(PF1)과 제2 프로파일(PF2)에서 같은 위치에 발생하고 합성되었을 경우, 에너지 차이는 5%이상이 되고, 레이저 결정화에 차이를 발생하게 하여 표시 장치의 표시 이상을 야기한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 결정화 장치를 사용하여 레이저 빔을 합성하는 방법을 나타내는 개략도이다.
도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 레이저 결정화 장치는 제1 광원부(LS1)에서 발생한 레이저 빔이 통과하는 제1 렌즈 어레이(OP1), 제2 광원부(LS2)에서 발생한 레이저 빔이 통과하는 제2 렌즈 어레이(OP2)를 포함한다. 제1 렌즈 어레이(OP1)는 복수의 광분할부(P1)를 갖고, 제2 렌즈 어레이(OP2)도 복수의 광분할부(P2)를 갖는다. 광분할부(P1, P2)는 레이저 빔의 진행 방향에 수직한 방향으로 마루와 골이 반복 형성된 실린더리컬 렌즈 모양을 나타낸다. 여기서, 광분할부(P1, P2) 각각은 제1 폭(d1)과 제2 폭(d2)을 갖고, 제1 폭(d1)과 제2 폭(d2)은 서로 다를 수 있다. 그리고, 제2 렌즈 어레이(OP2)가 갖는 광분할부(P2)의 개수는 제1 렌즈 어레이(OP1)가 갖는 광분할부(P1)의 개수보다 적을 수 있다.
제1 광원부(LS1)와 제2 광원부(LS2)는 동일한 출력을 갖는 광원일 수 있다.
제1 광원부(LS1)에서 발생한 제1 레이저 빔과 제2 광원부(LS2)에서 발생한 제2 레이저 빔은 가우시안 분포를 갖고, 제1 레이저 빔의 중심부 및 제2 레이저 빔의 중심부에서 가장 강한 강도를 나타낸다.
본 실시예에서 제1 광분할부(P1)와 제2 광분할부(P2)의 피치가 서로 다르기 때문에 렌즈 어레이(OP1, OP2)를 통과한 레이저 빔의 프로파일이 서로 다르다. 다시 말해, 제1 렌즈 어레이(OP1)를 통과한 제1 레이저 빔의 프로파일은 제4 프로파일(PF4)을 형성하고, 제2 렌즈 어레이(OP2)를 통과한 제2 레이저 빔의 프로파일은 제5 프로파일(PF5)을 형성하며, 프로파일 이상부(DS1, DS2)가 서로 다르게 나타난다. 제4 프로파일(PF4)과 제5 프로파일(PF5)을 갖는 레이저 빔을 광학계(OR)를 사용하여 합성하면 제6 프로파일(PF6)을 갖는 레이저 빔을 생성할 수 있다.
본 실시예에 따라 레이저 빔을 합성하면 프로파일 이상부가 강조되지 않고, 합성되기 전의 프로파일 형태로 고에너지의 레이저 빔을 생성할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
14: 기판 16: 비정질 실리콘 박막
18: 이송 스테이지 20: 레이저 빔
LS1, LS2 광원부 OP1, OP2 렌즈 어레이
OR 광학계

Claims (8)

  1. 복수의 광원부,
    상기 복수의 광원부에서 발생한 레이저 빔이 각각 입사하는 복수의 렌즈 어레이,
    상기 복수의 렌즈 어레이를 통과한 각각의 레이저 빔을 합성하는 광학계를 포함하고,
    상기 복수의 렌즈 어레이 각각은 복수의 광분할부를 포함하고,
    상기 복수의 광분할부는 서로 다른 피치를 갖는 레이저 결정화 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 복수의 광원부 각각에서 발생한 레이저 빔의 프로파일은 가우시안 분포를 갖는 레이저 결정화 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 복수의 광원부는 제1 광원부와 제2 광원부를 포함하고,
    상기 복수의 렌즈 어레이는 제1 렌즈 어레이와 제2 렌즈 어레이를 포함하며,
    상기 제1 광원부에서 발생한 레이저 빔이 상기 제1 렌즈 어레이를 통과하여 제1 빔 프로파일을 형성하고, 상기 제2 광원부에서 발생한 레이저 빔이 상기 제2 렌즈 어레이를 통과하여 제2 빔 프로파일을 형성하며,
    상기 제1 빔 프로파일과 상기 제2 빔 프로파일 각각이 포함하는 이상부의 위치는 서로 다른 레이저 결정화 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 렌즈 어레이는 실린더리컬 렌즈(Cylinderical Lens)인 레이저 결정화 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 복수의 광원부는 서로 동일한 레이저 결정화 장치.
  6. 레이저 결정화 장치를 사용하여 비정질 실리콘 기판 위에 레이저 빔을 조사하는 단계를 포함하고,
    상기 레이저 빔을 조사하는 단계는
    복수의 광원부에서 레이저 빔을 발생하는 단계,
    상기 레이저 빔이 복수의 광분할부를 포함하는 복수의 렌즈 어레이를 통과하는 단계 그리고
    상기 렌즈 어레이를 통과한 레이저 빔을 합성하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 광분할부는 서로 다른 피치를 갖도록 형성하는 레이저 결정화 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 복수의 광원부 각각에서 발생한 레이저 빔의 프로파일은 가우시안 분포를 갖도록 형성하는 레이저 결정화 방법.
  8. 제6항에서,
    상기 복수의 광원부는 제1 광원부와 제2 광원부를 포함하고,
    상기 복수의 렌즈 어레이는 제1 렌즈 어레이와 제2 렌즈 어레이를 포함하며,
    상기 제1 광원부에서 발생한 레이저 빔이 상기 제1 렌즈 어레이를 통과하여 제1 빔 프로파일을 형성하고, 상기 제2 광원부에서 발생한 레이저 빔이 상기 제2 렌즈 어레이를 통과하여 제2 빔 프로파일을 형성하며,
    상기 제1 빔 프로파일과 상기 제2 빔 프로파일 각각이 포함하는 이상부의 위치가 서로 다르도록 형성하는 레이저 결정화 방법.
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