KR102439093B1 - 광섬유 레이저에 의해 비정질 규소 기재를 균일하게 재결정화하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

비정질 규소(a-Si) 필름을 결정화하기 위한 본 발명의 시스템은 필름 조사 펄스형 빔을 방출하도록 동작되는 의사-연속적 파동 광섬유 레이저 공급원으로 구성된다. 광섬유 레이저 공급원은 a-Si 상에 입사되는 복수의 비-반복적 펄스를 방출하도록 동작된다. 특히, 광섬유 레이저는 분출 반복율(BRR)의 필름 조사 광의 복수의 단속적인 패킷, 및 BRR 보다 큰 펄스 반복율(PRR)로 방출되는 각각의 패킷 내의 복수의 펄스를 방출하도록 동작된다. 펄스 에너지, 각각의 펄스의 펄스 지속시간 및 PRR은, 각각의 패킷이 적어도 하나의 패킷에 노출되는 필름의 각각의 위치에서 a-Si의 폴리규소(p-Si)로의 변환을 제공하기에 충분한 희망하는 패킷 시간 파워 프로파일(W/cm2) 및 패킷 에너지를 갖도록, 제어된다.

Description

광섬유 레이저에 의해 비정질 규소 기재를 균일하게 재결정화하기 위한 방법 및 시스템{PROCESS AND SYSTEM FOR UNIFORMLY RECRYSTALLIZING AMORPHOUS SILICON SUBSTRATE BY FIBER LASER}
본 개시 내용은 평판 디스플레이의 제조에 관한 것이다. 보다 특히, 개시 내용은 하나 이상의 광섬유 레이저로부터의 레이저 빔으로 비정질 규소 후면판을 제어 가능하게 어닐링하는 것에 의해 실질적으로 균일한 다결정 구조를 제공하도록 구성된 광섬유 레이저-기반의 방법 및 시스템에 관한 것이다.
평판 디스플레이(FPD) 제조 환경은 세계적으로 가장 경쟁이 치열하고 기술적으로 복잡한 분야 중 하나이다. 장치 설계자 및 제조자는 전화기, PDA, 및 다른 콤팩트한 제품 - 이들 모두는 이전 세대의 기술보다 비용이 많이 소요된다 - 을 위한 더 높은 해상도, 더 높은 휘도, 더 큰 디스플레이, 낮은 전력 소비 및 더 빠른 비디오 능력에 대해서 세계적인 고객의 관심을 충족시키기 위해서 지속적으로 노력한다.
박막 트랜지스터(TFT) 기술은 도 1에 도시된 바와 같은 고해상도, 고성능 액정 디스플레이(LCD), 또는 유기 발광 다이오드(OLED) FPD일 수 있는 FPD를 위한 기초가 된다. TFT 디스플레이 회로는 비정질 규소("a-규소 또는 a-Si")의 얇은 반-투과성 층 상에 제조되고 각각의 화소에 상응하도록 층에 걸쳐 후면판 내에 배열된다.
산업계는 a-Si의 캐리어 이동도 보다 약 2자릿수(two orders of magnitude) 더 큰 캐리어 이동도를 갖는 폴리-규소(poly-Si)를 이용하는 것이 화소 크기를 실질적으로 감소시키고, 개구율 및 화소 해상도를 개선한다는 것을 인식하였다. 폴리-Si의 이러한 성질의 결과로서, 휴대용/모바일 전자 장치는 이제 고해상도 평판 디스플레이를 특징으로 한다.
결정화(어닐링)를 통해서 a-Si를 폴리-Si로 변환하기 위한 2가지 기본적으로 상이한 접근방식이 있다. 그 중 하나는 열적 어닐링(TA) 접근방식이고, 다른 하나는 여기에서 특히 관심의 대상이 되는 저온 폴리-규소 어닐링(LTPS) 접근방식이다. 후자에서, a-Si는 초기에 열적으로 처리되어 액체 비정질 Si으로 변환되며, 이어서 이는 특정 기간 동안 용융 상태에서 유지된다. 용융 상태를 유지하기에 충분한 온도 범위를 선택하여, 초기에 형성된 폴리-미결정이 성장되고 결정화되게 한다. LTPS 접근 방식은 2가지 일반적인 방법 - 엑시머 레이저 어닐링(ELA) 및 순차적인 측방향 응고(SLS)을 기초로 하며, 후자가 본 개시 내용의 청구 대상이다.
ELA에서, 엑시머 레이저는 기재 상에 코팅된 a-Si 필름으로 지향된 3xx nm 파장의 펄스형 자외선(UV) 빔을 발사한다. 필름이 가열되고 전체(full) 필름 두께 보다 얇은 두께로 용융된다. 필름의 하단 상의 나머지 a-Si의 격리된 아일랜드(island)는 추가적인 결정 성장을 위한 시드로서의 역할을 한다. 평면형 스크린과 같은 최종 제품의 고성능에 있어서 중요한, 최종 입자의 균일성은, 적어도 0.4 mm 너비의 빔으로 필름을 스캐닝할 때 동일한 플루엔스(fluence)로 각각의 위치의 복수의 조사의 결과로서 달성된다. 전형적으로, 적어도 20개의 펄스가 필름의 각각의 위치에서 희망 입자 균일성을 획득하는데 있어서 필수적이다.
최신 ELA의 발전을 주도하는 기본적인 문제 중 하나는 필름 제조의 보다 유연한 제어를 허용하는 방식으로 측방향 성장의 본질적으로 불안정한 조건을 조작하는 것이다. 이러한 의미에서, 이러한 문제를 다루는 복수의 기술은 제어된 SLS로서 함께 그룹화될 수 있다.
전술한 통상적인 ELA와 대조적으로, SLS는 엑시머 레이저로부터의 빔에 의해, 필름의 하단에 위치되는 시드-아일랜드 없이, a-Si 필름의 전체 두께를 용융시키는 것을 포함한다. 결과적으로, 결정화 전선(crystallization front)이 용융 필름의 대향 측면들로부터 성장된다. 다시 말해서, 성장이 측방향적이다. 측방향적으로 발전되는 결정 입자는 큰 수평방향 치수까지 길게 늘어질 수 있다. 후자가 유리한데, 이는 입자가 더 크게 성장함에 따라 전자 이동성이 커지기 때문이다.
측방향 성장은 필름 코팅된 기재 및 레이저 빔을 서로에 대해서 이동시키는 것에 의해 달성된다. 필름의 각각의 위치를 2차례 조사하는 것을 포함하는 기술이 2-샷 SLS로서 공지되어 있다.
역사적으로, ELA 및 SLS 방법 모두에서 사용되는 엑시머 레이저는 TFT 평판 디스플레이의 어닐링을 주도한다. 엑시머 레이저는 300 W 이상까지의 프로세싱 파워의 평균 범위를 갖는 넓은 범위의 프로세싱 파워, 1 J 보다 큰 에너지, 및 전형적으로 30 내지 300 ns 범위인 펄스 폭을 제공한다. 또한, 엑시머 레이저는 부가적인 주파수 변환없이 a-Si 내로 직접적으로 흡수되는 파장(308 nm)의 UV 광을 전달한다.
엑시머 레이저의 펄스 주파수는 비교적 낮다. 출원인의 지식 한도 내에서, 이는 SLS 방법에서 6 kHz를 초과하지 않고 표준 ELA에서 상당히 더 낮다. SLS와 관련하여, 큰 에너지를 초래하는 KHz 주파수에서, 엑시머는 하루의 동작 기간 중에 복수의 가스 변경을 필요로 하며, 이는 대량 생산에 적합하지 않다.
엑시머-기반의 어닐링 시스템은 시장의 어느 곳에서든지 몇십만으로부터 천만 내지 천오백만 달러 초과의 비용이 드는 크고 번거로운 구조(도 2 및 도 3)이다. 다시 말해서, 이는 고가이다. 동작시에, 엑시머는 특히, 빈번한 가스 재충진 및 후속 조정을 포함하는 다양한 이유로 낮은 가동시간(또는 역으로, 높은 정지시간)을 갖는 것으로 알려져 있다. 후자에 더하여, 높은 유지보수 비용은 또한 몇달마다 한차례씩 고가의 그리고 노동 집약적인 관 교체를 포함한다.
그에 따라, 단순하고, 저가이며, 최소의 유지보수를 필요로 하거나 유지보수를 전혀 필요로 하지 않는 광섬유 레이저 공급원으로 엑시머 레이저를 대체하는 것이 요구되고 있다.
유리, 중합체, 비-규소 결정 기재 상의 a-규소 필름을 어닐링하기 위한 발명에 따른 SLS 방법 및 레이저-기반의 시스템은 a-Si 필름을 실질적으로 크기가 균일한 다결정 입자 구조로 변환시키도록 동작 가능한 하나 이상의 광섬유 레이저의 이용을 기초로 한다. a-Si의 각각의 위치의 결정화는 복수의 UV 광의 분출(burst) 또는 패킷(packet)으로 위치를 조사하는 것을 포함하고, 각각의 분출은 공지된 엑시머 레이저보다 비교 불가능하게 더 높은 MHz 펄스 반복율로 방출되는 복수의 펄스에 의해 규정된다. 100 ps 내지 2 ns 범위로 제어 가능하게 변화되는 펄스 지속시간 및 3 내지 20 ns 범위의 펄스간 거리에서, 레이저 조사의 결과로서 여기된 원자는 펄스로부터 펄스까지 그들의 이동성을 상실하지 않는다.
본 발명의 하나의 양태에 따라서, 비정질 규소(a-Si) 필름을 결정화하기 위한 발명에 따른 시스템은 불규칙적인 펄스 반복율로 복수의 펄스를 방출하도록 동작되는 광섬유 레이저 공급원으로 구성된다.
개시 내용의 다른 양태는 분출 반복율(BRR)의 필름 조사 광의 복수의 단속적인(discrete) 패킷, 및 BRR 보다 큰 펄스 반복율(PRR)로 방출되는 각각의 패킷 내의 복수의 펄스를 포함하는 펄스 라인 빔을 방출하도록, 광섬유 레이저 공급원을 제어하도록 동작되는 제어기에 관한 것이다. 광섬유 레이저 공급원은 각각의 패킷이 적어도 하나의 패킷에 노출되는 필름의 각각의 위치에서 a-Si의 폴리규소(p-Si)로의 변환을 제공하기에 충분한 희망하는 패킷 시간(temporal) 파워 프로파일(W/cm2) 및 패킷 에너지를 갖도록 제어 가능한, 펄스 에너지, 각각의 펄스의 펄스 지속시간 및 PRR로 동작된다.
전술한 양태의 본 발명에 따른 시스템의 하나의 구조적 수정에 따라서, 광섬유 레이저 공급원은 마스터 발진기 파워 광섬유 증폭기(MOPFA) 광학적 체계로 구성된다. 마스터 발진기는 기본적인 주파수에서 단일 모드(SM) 또는 저 모드(LM) 펌프 광을 출력하는 시드로서 기능하고 단일 주파수(SF) 다이오드 레이저 또는 SF 광섬유 레이저로부터 선택된다. 파워 증폭기는 1 미크론 파장 범위 내의 기본 파장에서 펌프 광을 증폭하도록 동작되는 이테르븀(Yb) 도핑된 부스터로서 구성된다. 시스템은 펌프 광의 기본 파장을, 필름 조사광이 들어오는 a-Si 필름 상에 입사되는 광의 532 nm 파장과 같은 5xx nm로 변환하는 제2 고조파 발생기(SHG)를 더 포함한다.
다른 시스템의 구조적 수정에서, 제3 고조파 발생기(THG)가, 전술한 2가지 양태 모두에 따라서 구성된 구조물 내에 통합된다. SHG와 a-Si 필름 사이에 위치된 THG는 5xx nm 파장을, 필름 조사광의 355 nm 파장과 같은 3xx nm으로 변환하도록 동작된다.
전술한 양태의 각각에 따른 본 발명의 시스템의 또 다른 구조적 수정은 측면-펌핑(side-pumping) 기술에 따라 파워 광섬유 증폭기를 펌핑하는 것을 포함한다. 대안적으로, 펌프 광이 필름 조사광의 방향과 반대되는 방향으로 파워 증폭기의 코어 단부 내로 결합되도록, 펌핑 체계가 구성된다.
전술한 양태의 각각에서 개시된 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 구조적 수정에서, 광섬유 증폭기가 이중 병목-형상의 횡단면 또는 병목-형상의 횡단면을 갖는다. 파워 광섬유 증폭기의 코어가 복수의 횡단(transverse) 모드를 안내할 수 있으나, 기본 파장에서, 파워 광섬유 증폭기는 기본적인 모드로만 필름-조사 광을 출력한다.
전술한 양태의 각각의 광섬유 레이저 공급원은 파워 광섬유 증폭기 내의 유해한 비선형적 효과의 문턱값을 높이기 위해, 라인폭 확장 시스템으로 추가적으로 구성된다. 또한 양 양태의 본 발명에 따른 시스템은 연속적인 펄스를 a-Si 필름의 희망 위치로 제어 가능하게 전달하는 펄스 픽커(pulse picker)를 구비한다.
본 발명의 제3 양태는 전술한 양태의 본 발명에 따른 시스템 및 그들의 구조적 수정을 포함하는 비정질 규소(a-Si) 필름을 제어 가능하게 어닐링하기 위한 방법에 관한 것이다. 발명에 따른 방법은 기본 파장으로 방출되는 광의 패킷의 연속체를 분출 반복율(BRR)로 방출하는 것, 그리고 각각의 분출 내의 복수의 광 펄스를 펄스 반복율(PRR)로 방출하는 것을 포함하고, PRR은 BRR 보다 높다. 본 발명에 따른 방법은 희망하는 패킷 시간 파워 프로파일(W/cm2) 및 희망하는 패킷 에너지를 갖는 각각의 패킷을 제공하기 위해, PRR 및 각각의 펄스의 펄스 매개변수를 제어하는 것을 더 포함한다. 희망하는 시간 파워 프로파일 및 희망하는 패킷 에너지는 필름 상에 입사되는 적어도 하나의 광의 패킷으로 a-Si 층의 미리 결정된 영역을 실질적으로 균일하게 결정화하기에 충분하다.
개시 내용의 추가적인 양태에 따른 본 발명의 방법은 가변적인 반복율로 복수의 펄스를 방출하도록 본 발명에 따른 광섬유 레이저 공급원으로 에너지를 공급하는 것(energizing), 및 a-Si 필름을 실질적으로 균일하게 결정화하기 위해서 a-Si 필름의 적어도 하나의 미리 결정된 영역으로 펄스를 지향시키는 것을 포함한다.
개시 내용의 제3 및 마지막 양태의 본 발명에 따른 방법의 하나의 수정은 패킷 듀티 사이클, 펄스 지속시간, 펄스 진폭, 펄스 듀티 사이클 또는 이러한 매개변수의 임의의 희망 조합을 제어하는 단계에 관한 것이다.
양 방법 관련 양태의 다른 수정에 따라서, 본 발명에 따른 방법은 X 및 Y 평면 중 하나 또는 양쪽 XY 평면 내에서 a-Si 필름을 결정화하는 것을 포함한다.
전술한 그리고 다른 양태, 특징 및 장점이 도면을 수반하는 이하의 구체적인 설명으로부터 보다 용이하게 명확해질 것이다.
도 1은 평면형 스크린의 분해도이다.
도 2는 LTPS 방법에서 이용되는 엑시머 레이저의 개략도이다.
도 3은 도 2의 엑시머 레이저를 포함하는 전형적인 LTPS 모듈의 도면이다.
도 4는 개시된 시스템의 개략도이다.
도 5는 도 4의 본 발명에 따른 시스템의 레이저 공급원을 도시한다.
도 6은 도 5의 본 발명에 따른 레이저 공급원의 광학적 개략도이다.
도 7은 도 4 및 도 5의 본 발명에 따른 레이저 공급원으로부터 방출되는 펄스의 연속적인 분출의 개략도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 본 발명의 레이저 공급원의 부스터의 개략도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 본 발명의 레이저 공급원의 부스터의 개략도이다.
도 10은 펄스의 분출의 바람직한 형상을 도시한다.
도 11은 LCD 후면판의 평면도이다.
이제 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명할 것이다. 가능한 경우에는 언제든지, 동일한 또는 유사한 숫자를 도면 및 상세한 설명에서 이용하여, 동일한 또는 유사한 부분 또는 단계를 나타낸다. 도면은 단순화된 형태이고 정밀한 축척을 가지지는 않는다. 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 다이오드 및 광섬유 레이저 분야의 당업자에게 일반적이고 익숙한 의미가 명세서 및 청구범위 내의 단어 및 문구에 부여되도록 의도된다. "결합"이라는 단어 및 그 유사 용어가 반드시 직접적이고 즉각적인 연결을 나타내는 것은 아니고, 자유 공간 또는 중간 요소를 통한 기계적 및 광학적 연결을 또한 포함한다.
본 개시 내용의 기본적인 목적은 표준 ELA 및 SLS 모두를 포함하는 규소 어닐링 방법의 생산성을 높이는 것이고 현재 이용 가능한 어닐링 시스템의 제조 및 동작 비용을 크게 줄이는 것이다. 본 발명에 따른 어닐링 시스템은 전술한 방법을 실행하도록 구체적으로 구성된 광섬유 레이저 공급원을 기초로 한다. 그러한 목적은 a-Si 층을 실질적으로 균일하게 결정화하기 위해서 가변적인 반복율로 복수의 펄스를 방출하는 광섬유 레이저 공급원을 포함하는 시스템에 의해 달성된다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 어닐링 시스템(50)의 기본적인 배치를 보여준다. 일반적으로, 시스템(50)은 시드 레이저, 선택적인 하나 이상의 광섬유 전치 증폭기(preamplifier), 광섬유 부스터, 전자장치, 펌프, 및 희망하는 레이저 동작을 위해서 필요한 모든 다른 수단을 수용하는 레이저 모듈(55)로 구성된 레이저 공급원을 포함한다. 또한, 시스템(50)은 펌프 광의 기본적인 주파수를 더 높은 고조파로 변환하는 하나의 또는 복수의 더 높은 고조파 발생기, 안내 및 포커싱 광학장치를 포함하는 휴대용 광학적 레이저 헤드(56)를 포함한다. 가요성 케이블(54)은 모듈(55)과 광학적 헤드(56)를 광학적으로 결합시키는 부스터 스테이지의 능동적 광섬유를 차폐하면서 자유 공간에 걸쳐 연장된다. 대안적으로, 가요성 케이블(54)은 모듈(55) 내에 또는 별개의 모듈 내에 수용되는 부스터를 갖는 표준 전달 광섬유로서 기능할 수 있다.
포커싱 광학장치는 a-Si 필름(62)을 지지하는 유리 층 또는 하위-기재(66)를 포함하는 기재(60)에 펄스형 레이저 출력 빔(58)을 안내한다. 예를 들어, 730 x 0.4mm2 라인 빔의 치수를 갖는 시준된 출력 라인 빔(58)이 a-Si(62)를 어닐링하여 폴리-규소(64)의 실질적으로 균일한 입자를 형성한다. 라인 빔(58)이 정적인 a-Si 필름(62)의 표면에 걸쳐 스캐닝될 수 있도록, 기재(60)가 병진운동 스테이지(85)에 고정된다. 대안적으로, 필름을 갖는 기재(60)가 레이저 헤드(56)에 대해서 변위될 수 있다. 또 다른 가능성은 레이저 헤드(56) 및 기재(60) 모두를 서로에 대해서 제어 가능하게 변위시키는 것이다.
이제 도 6을 참조하여, 도 4의 시스템(50) 내에 구현된 예시적인 광섬유 레이저 공급원을 도시하고 설명한다. 모듈(55)은 콤팩트하며 가볍다. 특히 각각의 레이저 공급원의 출력 파워가 서로 근접할 때 모듈(55)과 도 2의 엑시머 레이저를 비교하는 경우, 모듈의 콤팩트성에 대한 진정한 평가를 관찰자에게 제공하기 위해, 모듈의 크기는 도 5에 도시된 20달러 지폐와 유사하다고 충분히 말할 수 있다. 모듈(55)의 중량은 단지 대략 12 kg이며 532x332x52 mm의 형상 계수를 갖는다.
큰-파워의 "녹색(green)" 및 UV-레이저의 적용예의 대부분은 비교적 높은 평균 파워 및 비교적 낮은 피크 파워로부터 일차적인 장점을 취한다. 이러한 조건은 큰 반복율, 큰 듀티 사이클의 유사 연속 파장(quasi continuous wave)(QCW) 레이저 공급원(50)에 의해 가장 잘 충족된다.
레이저 공급원은 시드 및 적어도 하나의 증폭 스테이지를 포함하는 마스터 발진기 파워 광섬유 증폭기(MOPFA) 구조를 갖는다. 시드(80)가 다이오드 또는 광섬유 레이저로부터 선택될 수 있다. 시드(80)가 2까지의 M2 를 갖는 낮은 (횡단) 모드 IR 광을 출력할 수 있지만, 예시적인 시드(80)는 도면에 도시된 바와 같이, 단일 횡단 모드(SM) 단일 주파수(SF) 선형 편광(LP) 레이저 분포형 피드백(DBF) 반도체 레이저로서 구성된다. 시드 레이저(80)의 입력부에서 전류는 시드 레이저 드라이버(18)에 의해 직접적으로 변조된다. 후자는 맵핑된 a-Si 필름(62)(도 4) 상의 어닐링하고자 하는 희망 위치가 공지된 방식으로 결정되면, 제어기(85)로부터 수신된 신호에 응답하여 동작된다.
도 7에 도시된 본 발명의 하나의 현저한 특징에 따라서, 시드(80)가 구동되어 불균일한 반복 주파수 또는 비율로 광학적 펄스를 출력한다. 특히, 시드(80)는 제어 가능한 분출 반복율(BRR)에서 1064 nm 파장으로 순차적인 펄스의 패킷(70)을 출력한다. 그러나, 각각의 패킷 내의 순차적 펄스(72)는 BRR과 상이한 펄스 반복율(PRR)로 생성된다.
PRR은 결정화 방법의 시간 상수와 거의 동일하도록, 그러나 바람직하게 그보다 작도록 선택되고 100 MHz 내지 200 MHz 사이에서 변경될 수 있다. 본 발명에 따른 결정화 방법에서, 시간 상수는 약 20 ns와 같다. 현재, 시스템(50)의 작업 모델은 150 MHz PRR에서 동작된다. 본 발명의 범위 내의 펄스 지속시간은 100 ps 내지 약 2 ns 에서 제어 가능하게 변경될 수 있다. 펄스간 지속시간이 시간 상수를 초과하지 않는다면, 듀티 사이클이 또한 제어기(92)에 의해 제어 가능하게 변경될 수 있다. 현재, 실험적인 시스템은 1.3 ns 펄스 폭과 약 6.67 ns의 인접한 펄스들 사이의 기간으로 동작된다. 펄스 폭은 PRR 및 듀티 사이클을 변화시키는 것에 의해 용이하게 변화될 수 있다. 예를 들어, PRR을 증가시키고 및/또는 듀티 사이클을 감소시킴으로써, 펄스 폭이 감소되는 경향을 갖는다.
각각의 개별적인 패킷의 지속시간은 30 ns와 500 ㎲ 사이에서 제어 가능하게 변경될 수 있고, 300 ns의 지속시간은 50 내지 200 μJ에서 각각 변경되는 패킷 에너지를 각각 갖는 2개의 300 ns 분출 내의 동일한 피조사 영역 내에서 희망하는 입자 균일성을 제공하기에 충분하다. BRR은 이하의 2개의 조건을 충족시키도록 선택된다: 1. 용융된 Si가 응고되어야 한다; 그리고 2. 생성된 열이 기재(60)의 손상없이 기재 내에서 확산되어야 한다. 양 조건은 약 75 KHz 내지 약 1 MHz 범위의 BRR로 양호하게 충족되어, X 및 Y 방향 중 하나를 따른 매우 균일한 입자를 갖는 p-Si(64)를 제공한다.
요약하면, 각각의 패킷이 희망하는 패킷 시간 파워 프로파일(초당 W/cm2) 및 적어도 하나의 광의 패킷에 노출되는 필름의 각각의 위치에 a-Si의 변환을 제공하기에 충분한 패킷 에너지를 갖도록, 펄스 에너지 및 각각의 펄스의 펄스 지속시간 및 PRR이 제어된다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 시간 파워 프로파일 및 패킷 에너지 모두는 용이하게 측정 가능한 매개변수이다.
기본 파장으로 시드(80)로부터 방출되는 적외선(IR) 광은 하나 이상의 선택적인 이테르븀(Yb)-도핑된 광섬유 전치 증폭기(82) 및 Yb 광섬유 부스터(84) 내에서 kW 수준의 평균 파워까지 더 순차적으로 증폭된다. 증폭된 IR 광의 높은 파워 및 단일 주파수 모두는 제2 고조파 발생기(SHG)(86) 및, 이용되는 경우에, 제3 고조파 발생기(90)를 포함하는 주파수 변환 체계의 높은 변환 효율을 초래한다. 다른 한편으로, 광섬유 증폭기 내의 고 파워 및 그에 따른 높은 변환 효율의 제한 중 하나가, 특히, 바람직하지 못한 비선형 현상인 자극된 브릴루인 산란(stimulated Brillouin scattering)(SBS)이 되는 것으로 알려져 있다. SBS의 영향을 완화시키는 것으로 알려진 다양한 접근 방식들 중에서, 부스터(86) 내의 SBS 문턱값을 높이기 위해서 시드(80)의 라인폭을 확장하는 것이 종종 이용된다. 따라서, 시스템(50)은 광섬유 증폭기 내의 SBS 문턱값을 복수-kW 수준으로 높이도록 동작되는 라인폭 확장 시스템(LBS)(94)을 추가적으로 갖는다. LBS(94)는 잡음 공급원, RF 증폭기, 및 위상 또는 진폭 변조기로 구성될 수 있다. 사용되는 변조기의 유형과 관계없이, 확장 시스템은 시드(80)로부터의 광의 단일 주파수 라인폭을 10 내지 40 GHz의 라인폭까지 균질하게 확장하도록 구성된다.
도 6에 더하여 도 8을 참조하면, 부스터(84)가 동작되어 기본 파장의 SF IR 광을 몇 kW 피크 파워 레벨까지 증폭시키는 반면, IR 광의 평균 파워는 약 ½ 피크 파워일 수 있다. 전술한 바와 같이, 부스터(84)의 입력부에서의 광의 확장된 라인폭으로 인해서 뿐만 아니라 부스터의 구성으로 인해, 부스터(84)는 kW-수준의 피크 파워에서 그러나 SBS 문턱값 미만에서 동작된다. 특히, 부스터(84)의 Yb-도핑된 능동 광섬유(95)가 이중 병목-형상의 단일체형(monolithic) MM 코어(102)를 갖지만, 그러한 MM 코어는 실질적으로 단일 기본 모드에서 복사선을 방출하도록 구성된다. 특히, MM 코어(102)는 능동적인 섬유(95)의 대향 단부들에 융합되는 각각의 입력 피동적(passive) SM 광섬유(100 및 112) 중 하나와 실질적으로 합치되는 모드 필드 직경을 갖도록 치수화된 동일한 입출력 작은 직경 단부 영역(106)을 포함한다. MM 코어(102)는 단부 영역의 직경을 초과하는 큰 균일한 직경을 갖는 MM 코어의 중앙 증폭 영역의 측면에 위치되는 각각의 입출력 모드 변환 테이퍼형 영역(110)으로 추가적으로 구성된다. 중앙 영역(104)의 증가된 직경은 안내된 광의 파워 밀도를 감소시키고, 이는 SBS 문턱값을 증가시킨다. 단일 또는 복수 클래딩(108)은 코어(102)와 동일한 횡단면을 가질 수 있거나, 표준 원통형-형상의 횡단면과 같은 상이한 횡단면을 가질 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 부스터(84)가 측면 펌핑된다. 부스터의 펌프(114)는 제어기(94)에 의해 제어될 수 있는 복수의 MM 전류 변조형 다이오드 레이저로 구성될 수 있다. MM 펌프 광 전달 광섬유(116)는 증폭 코어 영역(104)을 둘러싸는 클래딩(108)의 영역에 평행하게 연장되고 그 영역 내로 결합되는 중앙 단편을 갖는다.
도 9는 부스터(84) 및 단부 펌핑 체계의 대안적인 구성을 개략적으로 도시한다. 가요성 케이블(54)(도 4)에 의해 둘러싸인, 부스터(84)는 도 8의 단일체 MM 코어(102)를 갖는다. 후자는 레이저 헤드(56)에 장착된 부스터의 하류 단부를 향해서 연장되는 단일 병목-형상의 횡단면으로 구성된다. IR 광이 MM 코어의 다른 상류 단부 내로 결합될 때, 하나의 기본적인 모드만이 MM 코어(102) 내에서 여기되도록, MM 코어의 다른 상류 단부의 치수가 결정된다. 도 8의 펌프(114)로부터 펌프를 안내하는, 하나의 또는 복수의 펌프 전달 펌프 광섬유(116)가 케이블(54) 내에서 연장되고 부스터(84)의 확장된 하류 단부에 기계적으로 결합되거나 결합되지 않을 수 있다. 펌프 전달 광섬유(116)로부터 방출되는 펌프 광은 코어(102)의 원위 단부 내로 신호 광 IR의 방향에 대한 반대-전파 방향(PL)으로 펌프 광을 안내하도록 구성된 곡선형 반사부(118) 상에 입사된다. 증폭된 IR 광은 광 전파 방향으로 반사 요소(118) 내에 만들어진 개구부(120)를 통해서 전파된다.
도 4 및 도 8과 함께 다시 도 6을 참조하면, 제어기(92)는 펌프 다이오드 레이저(114)의 입력부에서 전류를 변조하기 위해 펌프(114)(도 8)의 드라이버에 결합되는 신호를 생성하도록 구성된다. 대부분의 시간에, 개시된 레이저 공급원은 연속적으로 작동되는 펌프(114)(도 8)로 동작된다. 또한, 통상의 기술자는 연속적인 펌프 동작이 불필요하고 심지어 레이저 시스템(50)의 무결성을 위태롭게 할 수 있는 상황을 용이하게 인지할 수 있다. 예를 들어, 만약 BRR이 너무 낮다면, 부스터(84)의 과다-펌핑이 상당히 나쁜 결과를 초래할 수 있다. 스테이지(85)(도 4)의 주기적인 가속/감속이 또한 펌프(114)의 동작을 차단하는 것에 대한 이유가 될 수 있다. 펌프(114)의 정지를 요구하는 이러한 그리고 다른 상황에서, 제어기(92)는 펌프(114)를 일시적으로 차단하는 신호를 생성할 수 있다.
펌프(114)는 또한 제어기(94)로부터의 그러한 신호에 응답하여 가변 파워로 펌프 광을 출력하도록 동작될 수 있다. 이는 패킷(70) 내의 개별적인 펄스(72)의 진폭을 변경하는 것을 가능하게 하여, 도 10에서 볼 수 있는 개별적인 포켓(70)의 총 에너지 및 패킷의 각각의 시간 파워 프로파일의 제어 가능한 조정을 초래한다.
증폭된 IR 광은 단일-통과 SHG 체계에서 기본 파장의 증폭된 IR 광을 변환하여 예를 들어 수백 와트 내지 약 1.5 kW 범위의 평균 파워의 532 nm 파장의 녹색 광을 출력하는 비선형 LBO 결정을 포함하는 SHG(86) 상으로 추가적으로 입사된다. 규소의 고유의 특성으로 인해서, 녹색 광의 특성이 충분히 도 4의 a-Si 필름(62)을 결정화하고 확립된 품질 표준에 따른 p-Si 필름(64)을 형성할 수 있다.
대안적으로, IR 및 녹색 광(예를 들어, 5xx nm) 빔이, 능동적 안정화/문제 해결을 위한 성능을 측정하기 위한 픽-오프를 실현하는 선택적인 상류 필터(88)를 통해서 자유 공간에 걸쳐 계속 전파되고, 그에 따라 LBO 결정을 갖는 단일 통과 체계로서 또한 구성되는 제3 고조파 발생기(THG)(90) 상에 충돌한다. 후자는 약 355 nm 파장의 UV 범위의 광을 생성하기 위해서 합계 주파수 혼합(sum frequency mixing)을 이용하는 기본 주파수의 제3 고조파를 생성하도록 구성된다. 도 4, 도 6 및 도 7의 광섬유 레이저 공급원은 510 내지 540 nm 파장 범위에서 15% 내지 30%의 벽 플러그 효율(wall plug efficiency)로 동작된다.
도 6의 본 발명에 따른 시스템(50)은 시스템(50)이 5xx nm 파장 범위 또는 3xx 파장 범위에서 동작되는지의 여부에 의존하는 상류 필터(88) 또는 하류 필터(92)의 하류에 위치되는 패킷 픽커/스플리터(95)로 구성될 수 있다. 이러한 구성요소는 수많은 상황에서 이용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 출력 파워가 증가되는 경향이 있다. 출력 파워가 증가되는 경향은 분출의 반복율을 높이는 것에 의해 가장 용이하게 실현된다. 그러나, 만약 BRR이 너무 높다면, 용융된 Si를 충분히 냉각하는데 있어서, 연속적인 패킷들 사이의 시간이 충분치 못할 수 있다. 따라서, 다각형(polygon) 또는 검류계 기계적 도구, 음향-광학적 또는 전기-광학적 변조기와 같은 패킷 픽커를 이용하여, 상이한 영역을 조사하도록 필름의 초기 영역을 조사한 원래의 패킷을 따르는 제2 패킷을 재경로설정할 수 있다. 한편, 원래의 영역이 제2 패킷에 후속되는 패킷에 의해 조사될 수 있다. 이러한 도구 및 그들의 동작에 관한 구체적인 설명이, 본원과 동시에 출원된 미국 특허출원...의 청구 대상의 일부이다.
도 6 및 도 7과 함께 도 10을 다시 참조하면, 전술한 바와 같이, 제어되는 매개변수는 특히, 펄스 반복율, 분출 반복율, 펄스 및 패킷 듀티 사이클, 개별적인 펄스 세기 및 그에 따른 패킷 에너지 그리고 그 시간 파워 프로파일을 포함한다. 바람직하게, 선행(leading) 고 파워 피크 및 후행 저 세기 피크를 갖도록, 각각의 패킷(70)이 성형된다.
도 11은 각각의 적색, 녹색 또는 청색 화소(120)에서 백라이트로부터의 광을 전달 또는 차단하는 수백만개의 솔리드-스테이트 차단기(shutter)의 어레이를 전형적으로 갖는 고선명 LCD를 도시한다. 각각의 화소는 실제 액정 재료를 제어하는 투과성 전극 또는 투과성 영역(140)을 갖는다. 각각의 전극은 광의 일부를 차단하는 트랜지스터 영역으로서 또한 지칭되는 TFT(160)를 갖는 불투명한 규소 지역에 의해 제어되고 공유한다. 불투명한 TFT와 다른 화소 투과성 영역 사이의 지역 비율은 개구율로 지칭되는 중요한 측정 기준 중 하나이다. 원칙적으로, TFT 지역(160)만을 결정화하고자 하는 반면, a-Si(62)의 나머지는 변함없이 유지될 수 있다. 개시된 시스템(50)에서, 불투명/투과성 지역 비율이 1:1 내지 1:5에서 변화되도록, p-Si가 선택적으로 형성될 수 있다.
전술한 내용을 기초로, 시스템(50) 및 공지된 시스템 모두의 출력 파워가 실질적으로 동일하다면, 예를 들어 1.2 kW라면, 개시된 섬유-기반의 시스템(50)의 생산성(A) 즉, 기재(60)의 얼마나 많은 평방 미터(m2)가 시간과 같은 단위 시간당 어닐링될 수 있는지는, 공지된 LTPS ELA 기술보다 훨씬 더 높다. 첫 번째로, 이는 개시된 시스템(50)의 출력이, a-규소를 결정화하는데 충분한 펄스의 적어도 하나의 분출을 이용하여, 20차례가 아니라 상당히 더 적은 차례로, 기재(60)(도 4)의 각각의 또는 선택된 지역을 조사하도록 구성될 수 있기 때문이다. 이어서, 실험적 데이터를 기초로, 각각의 트랜지스터 영역의 레이저-처리된 지역은, LTPS ELA 방법에서의 트랜지스터 영역의 지역에 비해서 약 50%까지 감소될 수 있다. 전체적으로, 생산성을 높이는 전술한 인자를 기초로, 개시된 LTPS 방법의 생산성(An)이 공지된 LTPS ELA 방법의 생산성(Ao) 보다 10 내지 20 범위의 배수 만큼 더 클 수 있고, 다시 말해서 An ~ (10-20)Ao일 수 있다고 생각된다.
당업자는 여기에서 개시된 광섬유-레이저-기반의 어닐링 시스템에서 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 것을 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 그에 따라, 본 개시 내용은 첨부된 청구항 및 그 균등물의 범위 내에 포함되는 한, 이러한 개시 내용의 수정 및 변경을 포함하도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 비정질 규소(a-Si) 필름을 결정화하기 위한 시스템이며,
    필름 조사 펄스형 빔을 방출하도록 동작되는 광섬유 레이저 공급원, 및
    제어기를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 광섬유 레이저 공급원이
    분출 반복율(BRR)의 필름 조사광의 복수의 단속적인 패킷, 및
    상기 BRR 보다 높은 펄스 반복율(PRR)로 방출되는 각각의 패킷 내의 복수의 펄스
    를 방출하도록 제어하게 동작되고,
    펄스 에너지, 펄스 지속시간 및 PRR은
    각각의 패킷이 적어도 하나의 패킷에 노출되는 a-Si 필름의 각각의 위치에서 a-Si의 폴리규소(p-Si)로의 변환을 제공하기에 충분한, 희망하는 패킷 시간 파워 프로파일 및 패킷 에너지를 갖도록, 제어되는,
    시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 레이저 공급원은
    100 내지 200 MHz 범위의 PRR에서 각각의 패킷 내의 펄스, 및
    수십 KHz 내지 약 1 MHz에서 변화되는 BRR의 패킷
    을 방출하는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 레이저는 50 ns 내지 500 ㎲ 의 지속시간을 각각 갖는 패킷을 제어 가능하게 방출하는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 레이저는 연속적인 펄스들 사이의 기간이 3 내지 20 ns 범위가 되도록, 각각의 패킷 내의 펄스를 제어 가능하게 방출하는, 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 레이저 공급원은,
    마스터 발진기 파워 광섬유 증폭기(MOPFA) 광학적 체계, 및 제2 고조파 발생기로 구성되고,
    상기 마스터 발진기는 단일 주파수(SF) 다이오드 레이저 또는 SF 광섬유 레이저로부터 선택되며 1 ㎛ 파장 범위 내의 기본 파장에서 단일 모드(SM) 또는 저 모드(LM) 광을 방출하도록 동작되는 시드이고, 상기 LM 펌프 광은 2까지의 M2 값을 갖고,
    상기 파워 증폭기는 각각의 패킷의 피크 파워가 KW 범위가 되도록 그리고 각각의 패킷의 평균 파워가 피크 파워의 약 절반이 되고 KW 수준에 도달하도록, 기본 주파수의 펌프 광을 증폭하도록 동작되는 이테르븀(Yb) 도핑된 부스터이고,
    상기 제2 고조파 발생기는 상기 Yb 광섬유 부스터의 하류에 위치되고 상기 펌프 광의 기본 파장을 5xx nm 파장 범위 내의 필름 조사 광의 제1 동작 파장으로 반감시키도록 동작되는, 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광섬유 레이저 공급원은 상기 필름과 상기 제2 고조파 발생기 사이에 위치되며 상기 필름 조사 광의 제1 동작 파장을 3xx nm 파장 범위 내의 필름 조사 광의 제2 동작 파장으로 변환하도록 동작되는 제3 고조파 발생기를 더 포함하는, 시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    측면-펌핑 기술 또는 단부 펌핑 기술에 따라서 상기 부스터 내로 결합되는 펌프 광을 생성하는 펌프를 더 포함하고, 상기 펌프는 상기 제어기에 동작적으로 연결된 전류-변조형 MM 다이오드 레이저를 포함하는, 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광섬유 부스터는 적어도 하나의 클래딩에 의해 둘러싸인 단일체 다중모드(MM) 코어를 갖는 능동적 광섬유를 포함하고, 상기 MM 코어는 기본 파장에서 단일 기본 모드를 지원하도록 구성되며 이중 병목-형상 횡단면을 갖는, 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 광섬유 부스터는
    상기 광섬유 부스터의 원위 단부를 향해서 확장되는 단일체 병목-형상 횡단면으로 구성되는 단일체 코어,
    상기 코어를 둘러싸는 적어도 하나의 클래딩,
    상기 광섬유 부스터의 원위 단부에 대향하며 상기 광을 상기 펌프로부터 상기 코어 내로 상기 기본 파장의 펌프 광의 방향에 반대되는 방향으로 반사시키도록 구성되는 반사부를 포함하는, 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 마스터 발진기 및 상기 광섬유 부스터 사이에 결합되며 음향 또는 진폭 변조기로부터 선택된 라인폭 확장 시스템을 더 포함하는, 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    다각형, 검류계, 음향-광학적 또는 전기-광학적 변조기로부터 선택된 패킷 픽커를 더 포함하는, 시스템.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 펌프는, 상기 부스터가 각각의 패킷 내에서 균일한 진폭 또는 불균일한 진폭을 갖는 개별적인 펄스를 방출하게 동작되도록, 연속적인 체제(regime) 또는 펄스형 체제에서 동작되며 균일한 파워 또는 제어 가능하게 가변적인 파워를 갖는 상기 펌프 광을 출력하게 구성되는, 시스템.
  13. 삭제
  14. 광섬유 레이저 공급원에 의해 비정질 규소(a-Si) 필름을 어닐링하기 위한 방법이며,
    분출 반복율(BRR)로 광의 패킷의 연속체를 방출하는 단계로서, 상기 광이 기본 파장으로 방출되는, 단계,
    상기 BRR 보다 높은 펄스 반복율(PRR)로 각각의 분출 내의 복수의 광 펄스를 방출하는 단계,
    희망하는 패킷 시간 파워 프로파일 및 희망하는 패킷 에너지를 갖는 각각의 패킷을 제공하기 위해, 상기 PRR 및 각각의 펄스의 펄스 매개변수를 제어하는 단계, 및
    상기 광의 패킷의 연속체를 상기 a-Si 필름의 적어도 하나의 미리 결정된 영역으로 지향시키는 단계로서, 상기 희망하는 시간 파워 프로파일 및 희망하는 패킷 에너지는 적어도 하나의 광의 패킷으로 a-Si 층의 미리 결정된 영역을 실질적으로 균일하게 결정화하기에 충분한, 단계
    를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    패킷 듀티 사이클을 제어하는 단계를 더 포함하고, 상기 각각의 펄스의 제어 가능한 매개변수는 펄스 지속시간, 펄스 진폭, 듀티 사이클 및 이들 매개변수의 조합으로부터 선택되는, 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 광의 패킷의 연속체를 지향시키는 단계는
    상기 a-Si 층의 전체 영역을 결정화하는 단계로서, 이에 의해 실질적으로 균일한 다결정 입자 구조를 갖는 a-Si 층의 전체 표면을 제공하는, 단계, 또는
    상기 a-Si 층의 지역을 선택적으로 결정화하는 단계로서, 이에 의해 실질적으로 균일한 다결정 입자 구조를 각각 갖는 복수의 개별적인 a-Si 층의 영역을 제공하는, 단계
    를 포함하는, 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 광의 패킷의 연속체를 지향시키는 단계는 X 및 Y 평면 중 하나 또는 양쪽 XY 평면 내에서 상기 a-Si 필름을 결정화하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 광의 패킷을 제2 고조파 발생기를 통해서 안내하는 단계를 더 포함하고, 이에 의해, 상기 a-Si 필름을 상기 광의 패킷의 연속체에 노출시키기에 앞서서, 1 ㎛ 파장 범위의 기본 파장을 5xx nm 파장으로 변환시키는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 5xx nm 파장을 3xx nm 파장으로 변환하도록 동작되는 제3 고조파 발생기를 통해서 상기 5xx nm 파장의 광의 패킷을 안내하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 삭제
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