KR102288353B1 - 레이저 광학계 및 이를 포함하는 레이저 어닐링 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저 광의 일부를 반사시키고 일부를 투과시킴으로써, 투과광인 제1 광과 반사광인 제2 광으로 분할하는 광 분할 수단; 상기 제1 광의 진행 경로에 배치되어 상기 제1 광을 반사시키는 제1 반사 부재; 및 상기 제1 반사 부재에서 반사된 상기 제1 광의 진행 경로에 배치되며, 상기 제1 광이 상기 광 분할 수단에 입사하도록 상기 제1 광을 반사시키는 제2 반사 부재를 포함하며, 상기 광 분할 수단에 입사된 상기 제1 광의 일부는 상기 광 분할 수단을 투과하고, 투과된 상기 제1 광의 적어도 일부는 상기 제2 광과 중첩되는 레이저 광학계를 개시한다.

Description

레이저 광학계 및 이를 포함하는 레이저 어닐링 장치{Laser optical system and laser annealing device including the same}
본 발명의 실시예들은 레이저 광학계 및 이를 포함하는 레이저 어닐링 장치에 관한 것이다.
레이저는 여러 산업 분야에서 다양한 용도로 활용되고 있다. 예를 들면, 유기 발광 표시 장치 또는 액정 표시 장치의 박막 트랜지스터에 다결정 실리콘(poly-crystalline silicon)이 사용되는데, 레이저를 이용한 어닐링(annealing) 방법으로 비정질 실리콘(amorphous silicon)을 결정화하여 다결정 실리콘을 형성할 수 있다.
이와 같이 기판 상에 활성층인 다결정 실리콘 막을 형성하는 레이저 어닐링(annealing) 공정은 일정한 길이와 폭을 갖는 선형 레이저 광을 기판 표면 전체에 걸쳐 조사함으로써 수행되며, 이때 선형 레이저 광을 기판 상으로 스캐닝(scanning)하면서 중첩하여 조사한다.
레이저 어닐링용 레이저 광으로는 엑시머 레이저(excimer laser)의 펄스(pulse) 레이저 빔이 주로 이용되는데, 소정의 시간 동안 주입되는 레이저 광의 단면 형상은 다결정 실리콘의 결정 구조, 나아가 표시 장치의 품질에 다양한 영향을 미치게 된다.
따라서, 레이저 광의 조사 시간뿐 만 아니라 레이저 광의 단면 형상을 조절하는 것이 중요한 문제가 되고 있다.
본 발명의 실시예들은 레이저 광의 펄스 지속 시간(pulse duration) 및 광폭(width)을 조절하며, 빔 형상의 균일도를 향상시킴으로써 충분한 어닐링 효과를 얻을 수 있는 레이저 광학계 및 이를 포함하는 레이저 어닐링 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 실시예는, 레이저 광의 일부를 반사시키고 일부를 투과시킴으로써, 투과광인 제1 광과 반사광인 제2 광으로 분할하는 광 분할 수단; 상기 제1 광의 진행 경로에 배치되어 상기 제1 광을 반사시키는 제1 반사 부재; 및 상기 제1 반사 부재에서 반사된 상기 제1 광의 진행 경로에 배치되며, 상기 제1 광이 상기 광 분할 수단에 입사하도록 상기 제1 광을 반사시키는 제2 반사 부재를 포함하며, 상기 광 분할 수단에 입사된 상기 제1 광의 일부는 상기 광 분할 수단을 투과하고, 투과된 상기 제1 광의 적어도 일부는 상기 제2 광과 중첩되는 레이저 광학계를 제공한다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 반사 부재를 상기 광 분할 수단을 향하는 방향 또는 상기 광 분할 수단으로부터 멀어지는 방향으로 이동시키는 구동부를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 구동부는 입력된 전기 신호에 따라 작동하는 액추에이터를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 광 분할 수단은 상기 광 분할 수단에 입사된 제1 광을 투과광인 제3 광과 반사광인 제4 광으로 분할하며, 투과된 상기 제3 광은 상기 제2 광과 중첩되고, 반사된 상기 제4 광은 상기 제1 반사 부재에 입사할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 광 및 상기 제3 광의 단면 형상은, 상기 제2 광 및 상기 제3 광이 일 축에 대하여 서로 대칭을 이룰 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 반사 부재는 상기 광 분할 수단에 대하여 고정된 위치 및 고정된 각도를 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 반사 부재는 상기 광 분할 수단 및 상기 제1 반사 부재에 대하여 고정된 각도를 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 반사 부재의 위치가 변함에 따라 상기 제1 광이 상기 광 분할 수단에 입사하는 위치가 변할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 다른 실시예는, 레이저 광을 조사하는 레이저 발진기; 및 상기 레이저 발진기로부터 입사된 레이저 광의 형상을 변화시켜 피조사체로 조사하는 레이저 광학계를 포함하고, 상기 레이저 광학계는, 레이저 광의 일부를 반사시키고 일부를 투과시킴으로써, 투과광인 제1 광과 반사광인 제2 광으로 분할하는 광 분할 수단; 상기 제1 광의 진행 경로에 배치되어 상기 제1 광을 반사시키는 제1 반사 부재; 및 상기 제1 반사 부재에서 반사된 상기 제1 광의 진행 경로에 배치되며, 상기 제1 광이 상기 광 분할 수단에 입사하도록 상기 제1 광을 반사시키는 제2 반사 부재를 포함하며, 상기 광 분할 수단에 입사된 상기 제1 광의 일부는 상기 광 분할 수단을 투과하고, 투과된 상기 제1 광의 적어도 일부는 상기 제2 광과 중첩되는 레이저 어닐링 장치를 제공한다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 반사 부재를 상기 광 분할 수단을 향하는 방향 또는 상기 광 분할 수단으로부터 멀어지는 방향으로 이동시키는 구동부를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 구동부는 입력된 전기 신호에 따라 작동하는 액추에이터를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 광 분할 수단은 상기 광 분할 수단에 입사된 제1 광을 투과광인 제3 광과 반사광인 제4 광으로 분할하며, 투과된 상기 제3 광은 상기 제2 광과 중첩되고, 반사된 상기 제4 광은 상기 제1 반사 부재에 입사할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 광 및 상기 제3 광의 단면 형상은, 상기 제2 광 및 상기 제3 광이 일 축에 대하여 서로 대칭을 이룰 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 반사 부재는 상기 광 분할 수단에 대하여 고정된 위치 및 고정된 각도를 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 반사 부재는 상기 광 분할 수단 및 상기 제2 반사 부재에 대하여 고정된 각도를 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 반사 부재의 위치가 변함에 따라 상기 제1 광이 상기 광 분할 수단에 입사하는 위치가 변할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 레이저 광학계 및 이를 포함하는 레이저 어닐링 장치는, 레이저 광의 폭을 조절함으로써 최적화된 레이저 광의 단면 형상을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 광학계 및 이를 포함하는 레이저 어닐링 장치는, 레이저 광의 단면의 균일도를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 광학계 및 이를 포함하는 레이저 어닐링 장치는, 레이저 광과 피조사체의 반응 시간을 증가시킴으로써 충분한 어닐링 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 어닐링 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광학계를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 3은 레이저 광이 도 2의 광학계를 통과하는 모습을 개략적으로 도시한 도이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 2의 광학계에서 레이저 광의 폭이 조절되는 모습을 개략적으로 도시한 도이다.
도 5는 시간에 따른 도 2의 광학계의 출사광 세기를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 어닐링 장치를 이용하여 제조한 박막 트랜지스터 및 이를 포함하는 표시 소자의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분"위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명함에 있어 실질적으로 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 어닐링 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 레이저 어닐링 장치(1000)는 레이저 발진기(100) 및 레이저 광학계(200)를 포함한다. 레이저 발진기(100)는 레이저 광을 발생시켜 레이저 광을 레이저 발진기(100)의 외부에 조사한다. 레이저 발진기(100)로부터 입사된 입사광(Li)은 레이저 광학계(200)를 거쳐 출사광(Le)으로 바뀌고, 출사광(Le)은 스테이지(400) 상에 배치된 피조사체(300)를 향하여 조사된다.
스테이지(400)는 평평한 상면을 포함하며, 스테이지(400)의 상면에는 피조사체(300)가 위치할 수 있다. 이 때, 피조사체(300)는 레이저 광학계(200)를 향하도록 배치되는데, 박막 트랜지스터 기판을 레이저 어닐링 하는 경우 피조사체(300)는 기판 상에 형성된 비정질 실리콘(amorphous silicon) 층일 수 있다.
레이저 광학계(200)는 일 방향 또는 서로 수직하는 양방향으로 이동할 수 있으며, 레이저 광학계(200)가 이동함에 따라 레이저 광이 피조사체(300)의 전면(全面)을 스캔(scan)할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 레이저 광학계(200) 대신 피조사체(300)가 배치된 스테이지(400)를 상기의 일 방향의 반대 방향으로 이동시킬 수 있으며, 레이저 광학계(200)와 스테이지(400)를 모두 이동시킬 수도 있다.
이와 같이 레이저 어닐링 장치(1000)는 피조사체(300)에 출사광(Le)을 조사하여 피조사체(300)에 포함된 비정질 실리콘(amorphous silicon)을 다결정 실리콘(poly-crystalline silicon)으로 결정화하는데, 이에 대하여는 도 6을 참조하여 후술하기로 한다. 이하에서는 레이저 발진기(100)로부터 입사된 입사광(Li)을 출사광(Le)으로 변환하는 레이저 광학계(200)에 대하여 좀 더 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광학계를 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 3은 레이저 광이 도 2의 광학계를 통과하는 모습을 개략적으로 도시한 도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 레이저 광학계(200)는 광 분할 수단(10), 제1 반사 부재(11), 및 제2 반사 부재(12)를 포함한다. 또한, 레이저 광학계(200)는 상기의 구성요소들, 즉 광 분할 수단(10) 및 반사 부재들(11, 12)을 지지하는 지지대(16)를 더 포함할 수 있다. 도면에서는 지지대(16)가 평판 형태로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 지지대(16)는 하우징 형태로 되어 상기의 구성요소들이 지지대(16)의 내부에 수용되는 형태일 수도 있다.
광 분할 수단(10)은 도 1에 도시된 것과 같은 레이저 발진기(100)로부터 입사된 입사광(Li)의 일부를 반사시키고, 일부를 투과시킨다. 이로써 입사광(Li)은 광 분할 수단(10)을 투과하는 투과광인 제1 광(L1)과 광 분할 수단(10)에서 반사된 반사광인 제2 광(L2)으로 분할된다.
제1 반사 부재(11)는 광 분할 수단(10)을 투과하는 제1 광(L1)의 진행 경로에 배치된다. 제1 광(L1)은 제1 반사 부재(11)에 입사하였다가 반사되어 제2 반사 부재(12)로 진행한다.
제1 반사 부재(11)는 광 분할 수단(10)에 대하여 고정된 위치 및 고정된 각도를 갖는다. 즉, 제1 반사 부재(11)는 지지대(16)의 일 면의 소정의 위치에 제1 반사 부재(11)와 광 분할 수단(10)을 연결하는 선에 대하여 소정의 각도를 갖도록 나사 결합, 접착 등의 방식으로 고정될 수 있다. 이때, 광 분할 수단(10) 또한 지지대(16)의 상기 일 면에 제1 반사 부재(11)와 마찬가지의 방식으로 고정될 수 있다. 이와 같이 제1 반사 부재(11) 및 광 분할 수단(10)을 지지대(16)의 상기 일 면에 각각 고정하게 되면, 제2 반사 부재(12)만으로 레이저 광의 단면 형상을 조절하게 되어 레이저 광학계(200)의 구조를 좀 더 단순화시킬 수 있다.
제2 반사 부재(12)는 제1 반사 부재(11)에서 반사된 제1 광(L1)의 진행 경로에 배치된다. 제1 광(L1)은 제2 반사 부재(12)에 입사하였다가 반사되어 광 분할 수단(10)으로 진행한다. 이때, 제2 반사 부재(12)는 광 분할 수단(10) 및 제1 반사 부재(11)에 대하여 고정된 각도를 갖는다.
제2 반사 부재(12)는 광 분할 수단(10) 및 제1 반사 부재(11)와는 달리 소정의 방향으로 이동할 수 있다. 즉, 제2 반사 부재(12)는 소정의 기울기로 기울어진 상태에서 광 분할 수단(10)과 제2 반사 부재(12)를 연결하는 선의 연장선을 따라 광 분할 수단(10)을 향하는 방향 또는 광 분할 수단(10)으로부터 멀어지는 방향으로 이동할 수 있다. 따라서, 레이저 광학계(200)는 제2 반사 부재(12)를 상기와 같이 이동시킬 수 있도록 제2 반사 부재(12)를 구동하는 구동부(15)를 더 포함할 수 있다.
구동부(15)는 다양한 형태일 수 있으나, 예를 들어 액추에이터(actuator)(13)를 포함할 수 있다. 액추에이터(13)는 입력된 전기 신호에 따라 제2 반사 부재(12)를 소정의 방향으로 이동시키는 동작을 수행하게 된다. 액추에이터(13)의 작동은 스위치의 온/오프(on/off) 조작에 의해 조절될 수 있고, 또는 별도의 제어장치(미도시)에 의해 자동으로 조절될 수도 있다. 별도의 제어장치를 이용하는 경우, 제2 반사 부재(12)와 광 분할 수단(10) 사이의 간격을 제어함으로써 레이저 광학계(200)로부터 출사되는 출사광(Le)의 폭을 실시간으로 조절할 수 있다. 한편, 액추에이터(13)는 다양한 방식으로 구동될 수 있는데, 단순하게는 회전식 모터(14)에 의해 구동되는 선형(linear) 액추에이터(13)를 예로 들 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 레이저 광이 광 분할 수단(10), 제1 반사 부재(11), 및 제2 반사 부재(12)를 순차적으로 통과하는 모습에 대하여 좀 더 상세히 설명한다. 이때, 이해를 돕기 위하여 입사광(Li) 및 출사광들(L2, L3, Le)의 단면 형상의 일례를 도 3의 (i) 내지 (iv)에 도시하였다. 그러나 여기서의 단면 형상은 어디까지나 예시일 뿐, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 레이저 발진기로부터 발생된 입사광(Li)이 레이저 광학계(200)의 광 분할 수단(10)으로 조사된다. 이때, 도 3의 (i)에서 보는 바와 같이 입사광(Li)의 단면에서의 세기 분포는 입사 방향에서 볼 때 우측 상단의 세기가 강한 것으로 가정한다.
입사광(Li)은 광 분할 수단(10)에 의해 투과광인 제1 광(L1)과 반사광인 제2 광(L2)으로 분할된다. 도 3의 (ii)에서 보는 바와 같이, 제2 광(L2)의 단면에서의 세기 분포는 출사 방향에서 볼 때 입사광(Li)과 마찬가지로 우측 상단의 세기가 강하다.
광 분할 수단(10)을 투과하는 투과광인 제1 광(L1)은 광 분할 수단(10)을 투과하여 제1 반사 부재(11)로 진행한다. 이때, 제1 광(L1)이 광 분할 수단(10)으로부터 제1 반사 부재(11)로 진행한 길이를 a라 하면, 도 2에 도시된 바와 같이 광 분할 수단(10) 및 제1 반사 부재(11)는 지지대(16)의 일면에 일정한 각도로 고정되어 있으므로 a의 값은 일정하게 된다.
다음으로, 제1 광(L1)은 제1 반사 부재(11)에서 반사되어 제2 반사 부재(12)로 진행한다. 이때, 제1 광(L1)이 제1 반사 부재(11)로부터 제2 반사 부재(12)로 진행한 길이를 b라 하면, 제2 반사 부재(12)는 광 분할 수단(10)에 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동하므로 b의 값은 제2 반사 부재(12)의 위치에 따라 달라지게 된다.
다음으로, 제1 광(L1)은 제2 반사 부재(12)에서 반사되어 광 분할 수단(10)으로 진행한다. 이때, 제1 광(L1)이 제2 반사 부재(12)로부터 광 분할 수단(10)으로 진행한 길이를 c라 하면, c의 값은 제2 반사 부재(12)가 이동함에 따라 달라지게 된다. 본 발명에서는 제2 반사 부재(12)의 위치를 변경하여 c의 값을 조절함으로써 출사광(Le)의 광 폭 또한 조절할 수 있는데, 이에 대하여는 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 후술하기로 한다.
다음으로, 광 분할 수단(10)에 입사된 제1 광(L1)의 일부는 광 분할 수단(10)을 투과하고, 다른 일부는 광 분할 수단(10)에서 반사되어 다시 제1 반사 부재(11)로 진행한다. 즉, 제1 광(L1)은 광 분할 수단(10)에 의해 투과광인 제3 광(L3)과 반사광인 제4 광(L4)으로 분할되고, 투과광인 제3 광(L3)은 광 분할 수단(10)에서 출사되고, 반사광인 제4 광(L4)은 다시 제1 반사 부재(11)로 진행하여 전술한 과정을 반복한다.
한편, 제1 광(L1)은 제1 반사 부재(11) 및 제2 반사 부재(12)를 통과하면서 반전을 이루게 된다. 제2 반사 부재(12)에서 반사되어 광 분할 수단(10)에 입사하는 제1 광(L1), 및 제1 광(L1)의 일부로서 광 분할 수단(10)을 투과하는 제3 광(L3)은 입사광(Li)과 반전을 이룬다. 따라서, 입사광(Li)이 레이저 광학계(200)를 통과하면서 좌우 반전됨으로써 광 분할 수단(10)에서 출사하는 제3 광(L3)의 단면은 도 3의 (iii)에서 보는 바와 같이 출사 방향에서 볼 때 좌측 상단의 세기가 강하게 된다.
다음으로, 입사광(Li)의 일부로서 광 분할 수단(10)에서 반사되었던 반사광인 제2 광(L2)과, 반사 부재들(11, 12)을 거쳐 광 분할 수단(10)에 입사된 제1 광(L1)의 일부로서 광 분할 수단(10)을 투과하는 제3 광(L3)은 서로 중첩되어 하나의 출사광(Le)을 형성하게 된다. 즉, 도 3의 (iv)을 참조하면, 입사광(Li)과 마찬가지로 우측 상단의 세기가 강한 단면을 갖는 제2 광(L2)과, 입사광(Li)이 좌우 반전되어 좌측 상단의 세기가 강한 단면을 갖는 제3 광(L3)이 서로 중첩하게 된다. 따라서, 제3 광(L3)의 적어도 일부는 제2 광(L2)과 중첩되고, 제2 광(L2) 및 제3 광(L3)의 단면 형상은 상기의 제2 광(L2) 및 제3 광(L3)이 중첩된 부분의 일 축을 중심으로 서로 대칭을 이루게 된다. 이와 같이 제2 광(L2) 및 제3 광(L3)이 부분적으로 중첩되어 하나의 출사광(Le)을 형성함으로써 출사광(Le)의 광 폭은 확장되고 가스 레이저 특유의 흔들림 특성이 개선될 수 있다. 또한 출사광(Le)을 형성하는 제2 광(L2) 및 제3 광(L3)이 서로 반전을 이룸으로써 출사광(Le)의 단면에서 세기의 좌우 분포가 좀 더 균일해진다.
전술한 바와 같이 제2 광(L2)과 제3 광(L3)이 중첩되어 출사광(Le)을 형성할 때, 출사광(Le)의 광 폭은 제2 반사 부재(12)의 위치에 따라 달라지게 된다. 이하에서는 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 제2 반사 부재(12)가 이동함에 따라 출사광(Le)의 광폭이 달라지는 양상에 대하여 설명하기로 한다.
도 4a 내지 도 4c는 도 2의 광학계에서 레이저 광의 폭이 조절되는 모습을 개략적으로 도시한 도이다.
설명의 편의를 위해 입사광(Li)의 일부가 반사되어 제2 광(L2)으로 출사되는 위치는 광 분할 수단(10)의 중앙부로서 항상 일정하다고 가정한다.
먼저, 도 4a를 참조하면, 제2 반사 부재(12)와 광 분할 수단(10)의 간격을 c0라 할 때, 입사광(Li)의 일부가 광 분할 수단(10)에서 반사된 반사광인 제2 광(L2)과, 제1 광(L1)의 일부가 광 분할 수단(10)을 투과한 투과광인 제3 광(L3)이 중첩되어 형성된 출사광(Le)의 폭은 t0가 된다. 이때, 제1 광(L1)이 반사되는 위치는 제2 반사 부재(12)의 중앙부로서 항상 일정하다고 가정한다. 이는 다음의 도 4b 및 도 4c에서도 동일하다.
한편, 도 4b에서 보는 바와 같이 제2 반사 부재(12)와 광 분할 수단(10)의 간격을 c0에서 c1으로 늘리면, 제2 반사 부재(12)에서 제1 광(L1)이 반사되는 위치는 중앙부에서 일 방향으로 좀 더 치우치게 된다. 이로써 출사광(Le)의 폭은 t1으로 변하는데, t1은 도 4a의 t0보다 큰 값을 갖게 된다.
이와 반대로, 도 4c에서 보는 바와 같이 제2 반사 부재(12)와 광 분할 수단(10)의 간격을 c0에서 c2로 줄이면, 제2 반사 부재(12)에서 제1 광(L1)이 반사되는 위치는 중앙부에서 도 4b와 반대 방향으로 좀 더 치우치게 된다. 이로써 출사광(Le)의 폭은 t2로 변하는데, t2 또한 도 4a의 t0보다 큰 값을 갖게 된다.
즉, 제2 반사 부재(12)와 광 분할 수단(10)의 간격이 변함에 따라 제1 광(L1)이 제2 반사 부재(12)에서 반사되는 위치, 및 제1 광(L1)이 광 분할 수단(10)에 입사하는 위치가 변하게 된다. 그리고, 제1 광(L1)이 광 분할 수단(10)에 입사하는 위치가 변함에 따라 제1 광(L1)의 분할광인 제3 광(L3)의 출사 위치도 달라지게 되고, 제3 광(L3)의 출사 위치가 달라짐에 따라 제2 광(L2) 및 제3 광(L3)이 서로 중첩되는 폭이 달라지게 된다. 전술한 바와 같이 여기서 제2 광(L2)의 출사 위치는 일정하다고 가정한다.
따라서, 제2 반사 부재(12)와 광 분할 수단(10)의 간격을 조절함으로써 제2 광(L2) 및 제3 광(L3)이 중첩되어 형성된 출사광(Le)의 폭을 조절할 수 있게 된다. 예를 들어, 입사광(Li)의 단면의 크기가 35mm X 15mm이고, 제2 반사 부재(12)와 광 분할 수단(10)의 최초 간격 c0가 120mm인 경우, c0를 약 110mm 내지 약 130mm 범위에서 변화시키면 출사광(Le)의 폭을 약 5 내지 약 10mm 정도 증가시킬 수 있다.
상기와 같이 본 발명에서는 서로 좌우 반전된 두 개의 광을 부분적으로 중첩시켜 출사광(Le)의 폭을 조절함으로써 어닐링에 최적화된 레이저 광의 단면 형상을 얻을 수 있다. 즉, 레이저 광을 공간적(spatial)으로 제어할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명은 레이저 광의 일부를 레이저 광학계(200)를 통과하도록 하여 출사 시점을 지연시킴으로써 레이저 광을 시간적(temporal)으로 제어할 수 있다. 이하에서는 도 5를 참조하여 레이저 광의 출사 시점을 지연시킴으로써 발생하는 효과에 대하여 설명하기로 한다. 이때, 설명의 편의를 위해 도 3도 함께 참조하여 설명하기로 한다.
도 5는 시간에 따른 도 2의 광학계의 출사광 세기를 나타낸 그래프이다.
입사광(Li)의 일부로서 반사광인 제2 광(L2)은, 도 5의 그래프 ①에 도시된 펄스 형태로 출사된다.
이후 제2 광(L2)에 포함된 일 펄스의 지속 시간이 지나기 전에, 입사광(Li)의 일부로서 투과광인 제1 광(L1)이 반사 부재들(11, 12)을 거쳐 광 분할 수단(10)에 입사하게 된다. 이때, 광 분할 수단(10)에 입사한 제1 광(L1)의 일부로서 투과광인 제3 광(L3)이 광 분할 수단(10)에서 출사하게 되고, 이 제3 광(L3)은 도 5의 그래프 ②에 도시된 펄스 형태로 출사된다. .
마찬가지로 제3 광(L3)에 포함된 일 펄스의 지속 시간이 지나기 전에, 제1 광(L1)의 일부로서 반사광인 제4 광(L4)이 반사 부재들(11, 12)을 거쳐 광 분할 수단(10)에 입사하게 되고, 제4 광(L4)의 일부는 광 분할 수단(10)을 투과하여 도 5의 그래프 ③에 도시된 펄스 형태로 출사된다.
따라서, 이전 출사광에 포함된 일 펄스의 지속 시간이 지나기 전에 다음 출사광이 조사되는 과정이 반복됨으로써 도 5의 그래프 ④에 도시된 형태로 전체적인 펄스 지속 시간(pulse duration)이 늘어나게 된다. 이와 같이 펄스 지속 시간이 증가함으로써 레이저 광과 피조사체의 반응 시간 또한 증가하여 피조사체의 결정화 공정에서 충분한 어닐링 효과를 얻을 수 있다.
한편, 각각의 출사광이 레이저 광학계(200)를 통과함으로써 지연되는 시간은 레이저 광학계(200)에서 광이 진행하는 이동 거리를 빛의 속도(v)로 나누어 계산하면 된다. 예를 들어, 도 3에서 제1 광(L1)의 분할광인 제3 광(L3)이 출사되기까지의 지연 시간은 (a+b+c)/v를 계산한 값이 된다. 이 때 빛의 속도 v는 3 X 108m/s이다.
상기의 수식에 따르면, 출사광이 지연되는 시간 또한 광 분할 수단(10)과 제2 반사 부재(12)의 간격 c에 따라 달라짐을 알 수 있다. 즉, 제2 반사 부재(12)의 위치를 광 분할 수단(10)에 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동시킴으로써 출사광의 폭 뿐만 아니라 출사광의 펄스 지속 시간까지 조절할 수 있다. 따라서, 별도의 제어장치를 통해 제2 반사 부재(12)의 위치를 자동으로 조절하게 되면, 출사되는 레이저 광의 시,공간적 분포를 실시간으로 제어할 수 있다.
한편, 레이저 광이 레이저 광학계(200)에서 수 회 순환함에 따라 일정 부분 광 손실(loss)이 발생할 수 있다. 즉, 도 5에서 보는 바와 같이 출사되는 레이저 광의 펄스의 최대 세기가 낮아지는 문제가 발생한다. 따라서, 입사광(Li)의 세기를 좀 더 크게 하여 출사광(Le)의 세기가 낮아지는 문제를 해결할 필요가 있다.
이하에서는 도 6을 참조하여 피조사체(300)에 포함된 비정질 실리콘(amorphous silicon)이 다결정 실리콘(poly-crystalline silicon)으로 결정화되는 과정에 대해서 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 어닐링 장치를 이용하여 제조한 박막 트랜지스터 및 이를 포함하는 표시 소자의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 기판(20) 상에는 불순물 이온의 확산 및 수분이나 외기의 침투를 방지하고, 평탄화된 표면을 제공하기 위한 버퍼층(31)이 형성될 수 있다. 이때, 기판(20)은 유리, 플라스틱 등으로 이루어진 절연성 기판일 수 있다. 버퍼층(51)은 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드 등과 같은 무기 절연 물질, 및/또는 폴리이미드, 폴리에스테르, 아크릴 등의 유기 절연 물질을 함유할 수 있다. 버퍼층(51)은 필수 구성 요소는 아니므로 공정 조건에 따라 생략될 수도 있다.
버퍼층(51) 상에는 채널 영역(43)과 채널 영역(43)을 중심으로 양쪽에 각각 형성되어 있는 소스 및 드레인 영역(41, 42)을 포함하며 다결정 실리콘으로 이루어진 반도체층(40)이 형성되어 있다. 여기서, 소스 및 드레인 영역(41, 42)은 n형 또는 p형의 불순물이 도핑되어 있으며 실리사이드층을 포함할 수 있다. 이하에서는 반도체층(40)을 형성하는 방법에 대하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
기판(20) 상에 비정질 실리콘을 저압 화학 기상 증착 또는 플라스마 화학 기상 증착 또는 스퍼터링 방법 등으로 적층하여 비정질 실리콘 박막을 형성한다. 실리콘은 결정 상태에 따라 비정질 실리콘과 다결정 실리콘으로 구분될 수 있는데, 비정질 실리콘은 비교적 낮은 온도에서 박막으로 증착 가능한 장점이 있는 반면, 원자배열에 규칙이 없어 전기적 특성이 비교적 떨어지고 대면적화가 어려운 단점이 있다. 그러나 다결정 실리콘은 전류의 흐름도가 비정질 실리콘에 비해 우수하며, 특히 결정립(grain)의 크기가 증가할수록 전기적 특성이 개선된다. 이때, 용융점이 낮은 유리 등의 절연 기판(20)을 활용하는 경우 기판(20) 상에 비정질 실리콘 박막을 증착한 후 이를 다결정 실리콘 박막으로 변화시켜 사용하게 되는데, 증착된 실리콘 박막의 결정화도(crystallinity)를 향상시키기 위하여 통상적으로 레이저 어닐링(laser annealing)에 의한 열처리 공정이 수반된다.
레이저 어닐링 공정에서는, 레이저 어닐링 장치를 이용하여 초기에는 투과 렌즈를 예열한 다음, 비정질 실리콘 박막에는 투과 렌즈가 일정한 온도에 도달하여 일정한 온도를 유지하고 있을 때에만 레이저 광이 조사되도록 하여 비정질 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막으로 결정화한다. 이로써, 다결정 실리콘 박막의 결정립을 균일하게 형성할 수 있어 이후에 완성되는 박막 트랜지스터(TFT)의 특성 또한 균일하게 유지할 수 있다.
한편, 기판(20)의 상부에는 반도체층(40)을 덮는 산화 규소(SiO2)나 질화 규소(SiNx) 등으로 이루어진 게이트 절연막(32)이 형성되어 있으며, 게이트 절연막(32) 상부에는 채널 영역(43)과 대응하도록 게이트 전극(50)이 형성되어 있다. 게이트 절연막(32)의 상부에는 게이트 전극(50)을 덮는 층간 절연막(33)이 형성되어 있으며, 게이트 절연막(32)과 층간 절연막(33)은 반도체층(40)의 소스 및 드레인 영역(41, 42)을 노출하는 컨택홀들(C1, C2)을 구비하고 있다. 층간 절연막(33)의 상부에는 컨택홀(C1)을 통하여 소스 영역(41)과 연결되어 있는 소스 전극(61)과 게이트 전극(50)을 중심으로 소스 전극(61)과 마주하며 컨택홀(C2)을 통하여 드레인 영역(42)과 연결되어 있는 드레인 전극(62)이 형성되어 있다. 층간 절연막(33)은 보호막(34)으로 덮여 있는데, 보호막(34)은 산화물, 질화물, 및/또는 산질화물을 포함하는 무기 절연 물질로 이루어지거나, 유기 절연 물질로 이루어질 수 있다. 보호막(34)에는 소스 전극(61)을 노출하는 컨택홀(C3)이 형성되어 있으며, 보호막(34)의 상부에는 화소 전극(70)이 형성되어 컨택홀(C3)을 통해 소스 전극(61)과 연결되어 있다. 여기서 화소 전극(70)은 소스 전극(61) 대신 드레인 전극(62)과 연결되도록 형성될 수도 있다. 화소 전극(70)은 투명 전극 또는 반사형 전극일 수 있는데, 화소 전극(70)이 투명 전극으로 사용될 때에는 ITO, IZO, ZnO 또는 In2O3을 포함할 수 있다. 또한, 화소 전극(70)이 반사형 전극으로 사용될 때에는 Ag, Mg, Al, Pt, Pd, Au, Ni, Nd, Ir, Cr 및 이들의 화합물 등으로 이루어진 제1 층, 및 이러한 제1 층 위에 형성되며 ITO, IZO, ZnO 또는 In2O3등을 포함하는 제2 층을 포함하는 다층 구조로 형성될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 화소 전극(70) 상에는 투명 전극 또는 반사형 전극일 수 있는 공통 전극(미도시) 및 유기 발광층을 포함하는 중간층(미도시)이 형성된다. 또한, 공통 전극의 일부를 노출하여 화소를 정의하는 화소 정의막(미도시)이 보호막(34) 상에 배치될 수 있다.
한편, 도 6에 도시된 박막 트랜지스터(TFT) 및 이를 포함하는 표시 소자(P)의 구조는 어디까지나 예시에 불과하며, 설계에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 광학계 및 이를 포함하는 레이저 어닐링 장치는, 레이저 광의 폭을 조절함으로써 최적화된 레이저 광의 단면 형상을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 광학계 및 이를 포함하는 레이저 어닐링 장치는, 레이저 광의 단면의 균일도를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 광학계 및 이를 포함하는 레이저 어닐링 장치는, 레이저 광과 피조사체의 반응 시간을 증가시킴으로써 충분한 어닐링 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1000: 레이저 어닐링 장치
100: 레이저 발진기
200: 레이저 광학계
10: 광 분할 수단
11: 제1 반사 부재
12: 제2 반사 부재

Claims (16)

  1. 레이저 광의 일부를 반사시키고 일부를 투과시킴으로써, 투과광인 제1 광과 반사광인 제2 광으로 분할하는 광 분할 수단;
    상기 제1 광의 진행 경로에 배치되어 상기 제1 광을 반사시키는 제1 반사 부재; 및
    상기 제1 반사 부재에서 반사된 상기 제1 광의 진행 경로에 배치되며, 상기 제1 광이 상기 광 분할 수단에 입사하도록 상기 제1 광을 반사시키는 제2 반사 부재를 포함하며,
    상기 광 분할 수단은 상기 광 분할 수단에 입사된 제1 광을 투과광인 제3 광과 반사광인 제4 광으로 분할하며,
    투과된 상기 제3 광은 상기 제2 광과 중첩되고, 반사된 상기 제4 광은 상기 제1 반사 부재에 입사하는 레이저 광학계.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 반사 부재를 상기 광 분할 수단을 향하는 방향 또는 상기 광 분할 수단으로부터 멀어지는 방향으로 이동시키는 구동부를 더 포함하는 레이저 광학계.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 구동부는 입력된 전기 신호에 따라 작동하는 액추에이터를 포함하는 레이저 광학계.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 광 및 상기 제3 광의 단면 형상은, 상기 제2 광 및 상기 제3 광이 일 축에 대하여 서로 대칭을 이루는 레이저 광학계.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 반사 부재는 상기 광 분할 수단에 대하여 고정된 위치 및 고정된 각도를 갖는 레이저 광학계.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 반사 부재는 상기 광 분할 수단 및 상기 제1 반사 부재에 대하여 고정된 각도를 갖는 레이저 광학계.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 반사 부재의 위치가 변함에 따라 상기 제1 광이 상기 광 분할 수단에 입사하는 위치가 변하는 레이저 광학계.
  9. 레이저 광을 조사하는 레이저 발진기; 및
    상기 레이저 발진기로부터 입사된 레이저 광의 형상을 변화시켜 피조사체로 조사하는 레이저 광학계를 포함하고,
    상기 레이저 광학계는,
    레이저 광의 일부를 반사시키고 일부를 투과시킴으로써, 투과광인 제1 광과 반사광인 제2 광으로 분할하는 광 분할 수단;
    상기 제1 광의 진행 경로에 배치되어 상기 제1 광을 반사시키는 제1 반사 부재; 및
    상기 제1 반사 부재에서 반사된 상기 제1 광의 진행 경로에 배치되며, 상기 제1 광이 상기 광 분할 수단에 입사하도록 상기 제1 광을 반사시키는 제2 반사 부재를 포함하며,
    상기 광 분할 수단은 상기 광 분할 수단에 입사된 제1 광을 투과광인 제3 광과 반사광인 제4 광으로 분할하며,
    투과된 상기 제3 광은 상기 제2 광과 중첩되고, 반사된 상기 제4 광은 상기 제1 반사 부재에 입사하는 레이저 어닐링 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 반사 부재를 상기 광 분할 수단을 향하는 방향 또는 상기 광 분할 수단으로부터 멀어지는 방향으로 이동시키는 구동부를 더 포함하는 레이저 어닐링 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 구동부는 입력된 전기 신호에 따라 작동하는 액추에이터를 포함하는 레이저 어닐링 장치.
  12. 삭제
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 광 및 상기 제3 광의 단면 형상은, 상기 제2 광 및 상기 제3 광이 일 축에 대하여 서로 대칭을 이루는 레이저 어닐링 장치.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 반사 부재는 상기 광 분할 수단에 대하여 고정된 위치 및 고정된 각도를 갖는 레이저 어닐링 장치.
  15. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 반사 부재는 상기 광 분할 수단 및 상기 제2 반사 부재에 대하여 고정된 각도를 갖는 레이저 어닐링 장치.
  16. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 반사 부재의 위치가 변함에 따라 상기 제1 광이 상기 광 분할 수단에 입사하는 위치가 변하는 레이저 어닐링 장치.
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