KR102538977B1 - 레이저 조사 방법 및 레이저 조사 장치 - Google Patents

레이저 조사 방법 및 레이저 조사 장치 Download PDF

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Abstract

레이저 조사 방법은 x 방향 및 상기 x 방향과 수직한 y 방향이 이루는 평면에 배치되는 기판의 표면에 레이저를 조사 한다. 상기 레이저 조사 방법은 점상 레이저(spot beam laser)를 이용하여, 상기 기판의 상기 표면 상의 레이저 조사 영역을 상기 y 방향을 따라 이동 시켜, 상기 x 방향으로 폭을 갖고 상기 y 방향으로 길이를 갖는 제1 영역에 레이저를 스캔(scan) 방식으로 조사하는 제1 스캔 단계, 상기 점상 레이저를 이용하여, 상기 기판의 상기 표면 상의 레이저 조사 영역을 상기 y 방향을 따라 이동 시켜, 상기 x 방향으로 폭을 갖고 상기 y 방향으로 길이를 갖는 제2 영역에 레이저를 스캔(scan) 방식으로 조사하는 제2 스캔 단계를 포함한다. 상기 제2 영역의 중심은 상기 제1 영역의 중심과 상기 x방향으로 이격된다.

Description

레이저 조사 방법 및 레이저 조사 장치{LASER IRRADIATION METHOD AND LASER IRRADIAION APPARATUS}
본 발명은 레이저 조사 방법 및 상기 레이저 조사 방법을 수행하기 위한 레이저 조사 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리 실리콘 제조에 사용되는 레이저 조사 방법 및 상기 레이저 조사 방법을 수행하기 위한 레이저 조사 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 기술의 발전에 힘입어 소형, 경량화 되면서 성능은 더욱 뛰어난 디스플레이 제품들이 생산되고 있다. 지금까지 디스플레이 장치에는 기존 브라운관 텔레비전(cathode ray tube: CRT)이 성능이나 가격 면에서 많은 장점을 가지고 널리 사용되었으나, 소형화 또는 휴대성의 측면에서 CRT의 단점을 극복하고, 소형화, 경량화 및 저전력 소비 등의 장점을 갖는 표시 장치, 예를 들면 플라즈마 표시 장치, 액정 표시 장치 및 유기 발광 표시 장치 등이 주목을 받고 있다.
상기 표시 장치는 박막 표시 장치의 액티브 패턴으로, 폴리 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 폴리 실리콘은 비정질 실리콘(amorphous silicon)에 엑시머 레이저(excimer laser)를 조사하여 상기 비정질 실리콘을 결정화 하여 형성할 수 있다. 종래에는 선형 빔(lines beam) 형태의 레이저를 기판 상의 비정질 실리콘 층에 일정한 피치(pitch)로 스캔(scan)하여 결정화 공정을 수행하였다.
그러나, 상기 선형 빔은 일반적으로, 가스 튜브(gas tube)를 이용하는 기체 레이저를 이용하는데, 그 장비의 제조 비용 및 유지 비용이 상당한 문제가 있었다.
또한, 상기 레이저 조사 방법에 따라 결정의 크기 및 모양이 상이하여, 일정하게 정렬된 다각형 결정(grain)을 얻기 위한 다양한 노력이 있었다.
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 본 발명의 목적은 비용이 절감되면서도, 품질이 우수한 폴리 실리콘을 제조할 수 있는 레이저 조사 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 레이저 조사 방법을 수행하기 위한 레이저 조사 장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 레이저 조사 방법은 x 방향 및 상기 x 방향과 수직한 y 방향이 이루는 평면에 배치되는 기판의 표면에 레이저를 조사 한다. 상기 레이저 조사 방법은 점상 레이저(spot beam laser)를 이용하여, 상기 기판의 상기 표면 상의 레이저 조사 영역을 상기 y 방향을 따라 이동 시켜, 상기 x 방향으로 폭을 갖고 상기 y 방향으로 길이를 갖는 제1 영역에 레이저를 스캔(scan) 방식으로 조사하는 제1 스캔 단계, 상기 점상 레이저를 이용하여, 상기 기판의 상기 표면 상의 레이저 조사 영역을 상기 y 방향을 따라 이동 시켜, 상기 x 방향으로 폭을 갖고 상기 y 방향으로 길이를 갖는 제2 영역에 레이저를 스캔(scan) 방식으로 조사하는 제2 스캔 단계를 포함한다. 상기 제2 영역의 중심은 상기 제1 영역의 중심과 상기 x방향으로 이격된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기판에 대해, 상기 레이저의 입사각 θ, 발산각 θy, 경사각 성분φ 은, 아래의 수학식을 만족시킬 수 있다.
<수학식>
θy [mrad] < 9.33 x [deg]
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 입사각θ는 0도(deg) 보다 크고 7.5도 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저는 연속 발진형 레이저 발진기이거나, 또는 30 MHz 이상의 반복 주파수를 가지는 펄스 발진형 레이저 발진기에 의해 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 발진기는 YAG 레이저, YVO4 레이저, YLF 레이저, YAlO3 레이저, Y2O3 레이저, 유리 레이저, 루비 레이저, 알렉산드라이트 레이저, Ti:사파이어 레이저 등의 고체 레이저를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저의 집광각α는 30[mrad] 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저는 레이저 광원, 제1 렌즈, 스캐너 및 제2 렌즈를 차례로 거쳐 상기 기판에 조사되고, 상기 스캐너의 물리적 이동에 의해, 상기 레이저 조사 영역이 이동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스캐너는 회전 가능한 갈바노 미러(galvano mirror)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스캐너는 회전 가능한 폴리곤 미러일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저가 발생되는 레이저 광원에서의 상기 레이저의 직경은 10mm (밀리미터)이하 이고, 상기 기판 상에서의 상기 레이저의 직경은 100 um(마이크로 미터) 이하 이고, 상기 레이저 광원에서 상기 기판까지의 광경로는 1m(미터)이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기판 상에는 비정질 실리콘 층이 형성될 수 있다. 상기 레이저가 상기 비정질 실리콘 층에 조사되어, 상기 비정질 실리콘 층을 결정화 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 일부 중첩할 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 레이저 조사 장치는 기판 상에 레이저를 조사한다. 상기 레이저 조사 장치는 상기 레이저를 발생하는 레이저 광원, 상기 레이저 광원에서 발생한 상기 레이저가 통과하는 제1 렌즈, 상기 제1 렌즈를 통과한 상기 레이저가 반사되고, 상기 반사되는 레이저의 방향을 변화 시키는 스캐너, 및 상기 스캐너에 반사된 레이저가 통과하는 제2 렌즈를 포함한다. 상기 기판에 대해, 상기 레이저의 입사각 θ, 발산각 θy, 경사각 성분φ 은, 아래의 수학식을 만족시킨다.
<수학식>
θy [mrad] < 9.33 x [deg]
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 입사각θ는 0도(deg) 보다 크고 7.5도 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저는 연속 발진형 레이저 발진기이거나, 또는 30 MHz 이상의 반복 주파수를 가지는 펄스 발진형 레이저 발진기에 의해 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 발진기는 YAG 레이저, YVO4 레이저, YLF 레이저, YAlO3 레이저, Y2O3 레이저, 유리 레이저, 루비 레이저, 알렉산드라이트 레이저, Ti:사파이어 레이저 등의 고체 레이저를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저의 집광각α는 30[mrad] 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스캐너는 회전 가능한 갈바노 미러(galvano mirror)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스캐너는 회전 가능한 폴리곤 미러일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저가 발생되는 레이저 광원에서의 상기 레이저의 직경은 10mm (밀리미터)이하 이고, 상기 기판 상에서의 상기 레이저의 직경은 100 um(마이크로 미터) 이하 이고, 상기 레이저 광원에서 상기 기판까지의 광경로는 1m(미터)이상일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 레이저 조사 방법은 x 방향 및 상기 x 방향과 수직한 y 방향이 이루는 평면에 배치되는 기판의 표면에 레이저를 조사 한다. 상기 레이저 조사 방법은 점상 레이저(spot beam laser)를 이용하여, 상기 기판의 상기 표면 상의 레이저 조사 영역을 상기 y 방향을 따라 이동 시켜, 상기 x 방향으로 폭을 갖고 상기 y 방향으로 길이를 갖는 제1 영역에 레이저를 스캔(scan) 방식으로 조사하는 제1 스캔 단계, 상기 점상 레이저를 이용하여, 상기 기판의 상기 표면 상의 레이저 조사 영역을 상기 y 방향을 따라 이동 시켜, 상기 x 방향으로 폭을 갖고 상기 y 방향으로 길이를 갖는 제2 영역에 레이저를 스캔(scan) 방식으로 조사하는 제2 스캔 단계를 포함한다. 상기 제2 영역의 중심은 상기 제1 영역의 중심과 상기 x방향으로 이격된다.
상기 레이저 조사 방법 및 상기 레이저 조사 방법을 수행하기 위한 레이저 조사 장치는 점상 레이저(spot beam laser)를 이용하여, 스캔 방식으로 기판 상에 레이저를 조사할 수 있다. 이때, 상기 레이저의 입사각 θ, 발산각 θy, 경사각 성분φ 은, θy [mrad] < 9.33 x [deg] 를 만족시키고, 집광각α는 30[mrad] 이하일 수 있다. 이에 따라, 비용이 절감되면서도, 품질이 우수한 폴리 실리콘을 제조하기 위한 레이저 조사 방법 및 레이저 조사 장치가 제공될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사 방법이 진행되는 기판의 평면도이다.
도 2는 도 1의 기판의 측면도이다.
도 3은 도 1의 레이저 조사 방법에서의 레이저의 입사각, 발산각, 경사각 성분을 표시한 도면이다.
도 4는 도 1의 레이저 조사 방법에서의 레이저의 입사각과 발산각에 따른 폴리 실리콘의 결정의 관계를 도시한 그래프이다.
도 5a 및 5b는 도 4의 샘플1 및 샘플2의 폴리 실리콘의 결정의 이미지들이다.
도 6은 종래의 레이저 조사 장치(50)의 레이저의 각분포(angular distribution)을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 1의 레이저 조사 방법에서의 레이저의 집광각(α)를 나타낸 도면이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사 장치(200)를 나타낸 도면이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사 방법이 진행되는 기판의 평면도이다. 도 2는 도 1의 기판의 측면도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 상기 레이저 조사 방법에 따르면, 기판(10) 상에 점상 레이저(spot beam laser)를 x 방향(x)과 수직한 y 방향(y)으로 스캔하는 것을 복수회 진행하여 상기 기판(10) 전체에 대해 레이저 처리할 수 있다. 이하 상기 레이저 조사 방법의 구체적인 내용을 설명한다.
상기 레이저 조사 방법은 점상 레이저를 이용하여, 상기 기판(10)의 표면 상에 레이저를 조사하여, 상기 레이저가 조사된 레이저 조사 영역을 상기 y 방향(y)을 따라 이동 시킬 수 있다. 이에 따라 점상(spot) 레이저를 이용하여 선상(line) 영역에 대해 레이저를 조사할 수 있다. 즉, 상기 x 방향(x)으로 폭을 갖고 상기 y 방향(y)으로 길이를 갖는 제1 영역에 레이저를 스캔(scan) 방식으로 조사할 수 있다 (제1 스캔 단계, 도면 상의 에 대응하는 화살표 참조)
이후, 상기 점상 레이저의 조사 위치를 상기 x방향(x)으로 소정거리 이동시키고, 상기 점상 레이저를 이용하여, 상기 기판(10)의 표면 상에 레이저를 조사하여, 상기 레이저가 조사된 레이저 조사 영역을 상기 y 방향(y)을 따라 이동 시킬 수 있다. 즉, 상기 x 방향(x)으로 폭을 갖고 상기 y 방향(y)으로 길이를 갖는 제2 영역에 레이저를 스캔(scan) 방식으로 조사할 수 있다 (제2 스캔 단계, 도면 상의 에 대응하는 화살표 참조)
이후, 상기 점상 레이저의 조사 위치를 상기 x방향(x)으로 소정거리 이동시키고, 상기 점상 레이저를 이용하여, 상기 기판(10)의 표면 상에 레이저를 조사하여, 상기 레이저가 조사된 레이저 조사 영역을 상기 y 방향(y)을 따라 이동 시킬 수 있다. 즉, 상기 x 방향(x)으로 폭을 갖고 상기 y 방향(y)으로 길이를 갖는 제3 영역에 레이저를 스캔(scan) 방식으로 조사할 수 있다 (제3 스캔 단계, 도면 상의 에 대응하는 화살표 참조)
상기와 같은 단계들을 반복하여, 상기 기판(10) 전체에 대해 레이저를 조사할 수 있다.
이때, 제1 내지 제3 영역 각각의 중심은 상기 x 방향으로 일정거리만큼 이격되며, 상기 제1 영역 내지 제3 영역들을 서로 일부 중첩할 수 있다.
상기 레이저는 약 30 m/s 의 속도로 스캔 될 수 있으며, 상기 x 방향 이동 피치(Pitch)는 약 2 mm, 상기 레이저의 입사각θ는 약 7°, 발산각 θy는 약 0±15 mrad(밀리라디안)일 수 있다.
상기 기판(10) 상에는 비정질 실리콘 층이 형성되어 있으며, 상기 비정질 실리콘 층이 상기 레이저 조사에 의해, 결정화 되어, 폴리 실리콘(poly silicon)이 형성될 수 있다. 즉, 조사된 레이저에 의하여 상기 비정질 실리콘의 Near Complete Melting에 의한 결정화가 발생할 수 있다.
일반적으로, 상기 레이저는 광원당 펄스 에너지(Pulse Energy)가 1J 이상이고, 상기 기판(10) 상에서의 에너지 밀도(Energy Density)는 약 470 mJ/cm2 의 값을 갖는 경우, 상기 폴리 실리콘의 결정 크기가 약 300 nm(나노미터) 정도로 균일성이 비교적 높은 사각형 형태의 결정을 얻을 수 있다.
도 3은 도 1의 레이저 조사 방법에서의 레이저의 입사각, 발산각, 경사각 성분을 표시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 기판(10) 에 대해, 레이저 광원(LS)에서 발생한 레이저의 (도면 상 화살표) 입사각 θ, 발산각 θy, 경사각 성분φ 이 도시되어 있다. 여기서, 상기 입사각 θ, 상기 발산각 θy, 상기 경사각 성분φ 은 각각 다음과 같은 관계를 갖는다.
선분 (O-A) = 1 경우,
선분 (O-B) = tan
선분 (O-LS) = 1/sin
(OB/O-LS) = tany
이며, 이를 정리하면,
θy = arctan(tanφ x sinθ)
과 같은 관계를 얻을 수 있다.
이때, 상기 경사각 성분φ이 커지면, 상기 기판(10) 상의 폴리 실리콘 층의 돌기 각도가 변해서, 정렬성이 나빠지는데, 상기 폴리 실리콘의 결정(Grain)이 상기 경사각 성분φ이 없는 경우, 사각형의 결정이 형성되고, 상기 경사각 성분φ이 커짐에 따라 상기 결정이 다각형으로 변화하며, 다만, 상기 경사각 성분φ이 30도(deg)일 때, 육각형의 안정적인 결정이 형성된다. 이후, 상기 경사각 성분φ이 더 커지는 경우, 결정이 불규칙한 각형으로 변화하며, 정렬성이 저하된다.
도 4는 도 1의 레이저 조사 방법에서의 레이저의 입사각과 발산각에 따른 폴리 실리콘의 결정의 관계를 도시한 그래프이다. 도 5a 및 5b는 도 4의 샘플1 및 샘플2의 폴리 실리콘의 결정의 이미지들이다.
도 3 및 4를 참조하면, 위에서 설명한 바를 바탕으로, 상기 경사각 성분φ이 30도(deg)이하인 경우, 정렬성이 나타난다고 가정하여, 이를 계산해 보면, 도 4의 그래프의 관계를 얻을 수 있다. 즉, 상기 그래프는 상기 입사각θ에 따른, 정렬정 있는 결정들을 얻을 수 있는 상기 발산각 θy 의 범위를 나타내고 있다. 즉, 상기 입사각θ과 상기 발산각 θy 이 상기 그래프의 빗금 부분에 위치하는 경우, 우수한 정렬성을 갖는 결정을 획득할 수 있다고 이해할 수 있다.
상기 그래프의 빗금 영역을 수식화 하면, 다음과 같은 수학식을 얻을 수 있다.
<수학식>
θy [mrad] < 9.33 x [deg]
도 5a 및 5b를 함께 참조하면, 실제로, 샘플1(SAMPLE1)과 샘플2(SMAPLE2)에 해당하는 레이저를 조사한 경우, 샘플2에 해당하는 조건에서 사각형의 정렬성이 높은 결정들을 얻을 수 있음을 확인 할 수 있다.
도 6은 종래의 레이저 조사 장치(50)의 레이저의 각분포(angular distribution)을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 상기 종래의 레이저 조사 장치(50)는 제1 렌즈(LN1), 제2 렌즈(LN2), 호모지나이저(HZ), 제3 렌즈(LN3)를 포함할 수 있다. 상기 레이저 조사 장치(50)의 레이저 광원에서 발생한 레이저는 상기 1 렌즈(LN1), 상기 제2 렌즈(LN2), 상기 호모지나이저(HZ) 및 상기 제3 렌즈(LN3)를 차례로 통과하여, 기판(10) 상에 라인 빔(line beam) 형태로 조사될 수 있다.
여기서, 도면의 상하 방향이 상기 라인 빔의 장축 방향으로, 도시된 레이저의 경로는 상기 레이저 조사 장치(50)의 상기 라인 빔의 장축 방향의 광학계를 도시한 것이다.
상기 호모지나이저(HZ)는 가우시안 분포의 에너지 밀도를 갖는 레이저빔을 입력 받아 일 방향으로 균일한 에너지 밀도를 갖는 레이저빔으로 변경하는 역할을 할 수 있다.
한편, 도면 상에 상기 레이저의 경로 차에 의한 각분포(Angular distribution; AD)가 도시되어 있는데, 상기 각분포(AD)가 너무 크면 상기 기판(10) 상의 폴리 실리콘의 결정(grain)의 정렬성이 나빠지는 것을 실험을 통해 확인하였다. 상기 각분포가 40 mrad(밀리라디안) 인 경우에는 정렬성이 우수하였으나, 상기 각분포가 62 mrad 인 경우, 정렬성이 좋지 않음을 확인 하였다.
즉, 상기 폴리 실리콘의 결정의 정렬성은 레이저의 각분포와 관련성이 있으며, 상기 각분포가 특정 정도 이하여야 원하는 정도의 정렬성을 얻을 수 있는 것으로 볼 수 있다.
도 7은 도 1의 레이저 조사 방법에서의 레이저의 집광각(α)를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 조사 방법에 의하면, 종래 레이저 조사 장치(50)에서와 달리 점상 레이저(spot beam laser)를 스캔 방식으로 조사하므로, 각분포에 의한 영향이 종래 레이저 조사 장치(50)에서와는 다를 수 있다.
도시된 바와 같이 레이저 광원(LS)에서부터 기판(10)까지를 광경로(L), 상기 레이저 광원(LS)에서의 상기 레이저의 직경(D1), 상기 기판(10) 상에서의 상기 레이저의 직경(D2)을 정의하면, 상기 레이저의 집광 정도를 나타내는 집광각α은 α=arctan((D1-D2)/2L) 로 나타낼 수 있다.
여기서, 본 실시예에서와 같은 스캔 방식의 점상 레이저의 각분포(AD)는 다음과 같을 수 있다.
(AD)=2* 집광각α
도 6에서 설명된 내용을 바탕으로 볼 때, 상기 각분포(AD)는 적어도 60mrad 이하의 값을 가져야 우수한 정렬성을 획득할 수 있으므로, 상기 집광각α의 바람직한 범위는
집광각α<30[mrad]
이라고 유추할 수 있다. 일반적으로, D2 는 D1 에 비해 매우 크므로, 상기 집광각α는 다음과 같은 수학식을 만족할 수 있다.
<수학식>
집광각α< arctan((D1/2)/L)=5[mrad](밀리라디안)
일 예로, 상기 레이저 광원(LS)에서의 상기 레이저의 직경(D1)은 약 10mm (밀리미터)이고, 상기 기판(10) 상에서의 상기 레이저의 직경(D2)는 약 100 um(마이크로 미터)이고, 상기 광경로(L)은 1m(미터)인 경우, D2 는 D1 에 비해 매우 크므로, 상기 집광각α는 상기 수학식에 의해, 5[mrad](밀리라디안)으로 계산될 수 있으며, 30[mrad] 보다 작으므로, 폴리 실리콘 결정의 우수한 정렬성을 얻을 수 있음을 예측할 수 있다.
이와 같이, 집광각α<30[mrad]을 만족하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 조사 장치의 D1, D2, L을 설계할 수 있을 것이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 8a 및 8b를 참조하면, 상기 레이저 조사 장치(100)는 레이저 광원(LS), 제1 렌즈(LN1), 제1 미러(MR1), 제2 미러(MR2), 및 제3 미러(MR3)를 포함할 수 있다. 상기 레이저 조사 장치(100)는 기판(10)의 표면 상에 점상 레이저를 스캔 방식으로 조사 할 수 있으며, 도면에 표시된 점선은 하나의 스캔 영역에 대한 1회의 스캔을 도시하고 있다. (도 1 및 2의 설명의 제1 스캔 단계 참조)
상기 레이저 광원(LS)은 레이저 발진기 일 수 있다. 상기 레이저 발진기는, 예를 들어, 연속 발진형 레이저 발진기이거나, 또는 30 MHz 이상의 반복 주파수를 가지는 펄스 발진형 레이저 발진기일 수 있다. 예를 들면, 상기 레이저 발진기는 30 MHz 반복 주파수의 532 nm 파장의 레이저, 또는 355nm 파장의 레이저를 발할 수 있다. 예를 들면, 상기 레이저 발진기가 Nd;YAG 레이저(1064 nm)의 고체 레이저를 사용하는 경우, 상기 532 nm 파장은 2차 고조파(second harmonic wave)이고, 상기 355nm 파장은 3차 고조파(third harmonic wave)일 수 있다.
상기 레이저 발진기는 공지의 연속 발진의 고체 레이저를 사용할 수 있다. 고체 레이저로서는, 예를 들어, YAG 레이저, YVO4 레이저, YLF 레이저, YAlO3 레이저, Y2O3 레이저, 유리 레이저, 루비 레이저, 알렉산드라이트 레이저, Ti:사파이어 레이저 등이 있다.
상기 레이저 광원(LS)로부터 방출된 레이저는 제1 렌즈(LN1)에 입사할 수 있다. 상기 제1 렌즈(LN1)은 집광용 광학계일 수 있으며, 예를 들어, 구면(球面) 렌즈 또는 플레넬(Flesnel)렌즈 등 일 수 있다. 상기 제1 렌즈(LN1)를 통과한 레이저는 상기 제1 미러(MR1)에서 반사된다.
상기 제1 미러(MR1)는 갈바노 미러(galvano mirror)일 수 있으며, 상기 제1 미러(MR1)가 회전하여 상기 레이저를 반사하는 각도를 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 제1 미러(MR1)는 반사되는 레이저의 방향을 변화시키는 스캐너(scanner) 역할을 할 수 있다.
상기 제1 미러(MR1)에서 반사된 레이저는 제2 미러(MR2) 및 제3 미러(MR)에서 차례로 반사될 수 있다. 상기 제2 미러(MR2)는 볼록 거울이고, 상기 제3 미러(MR3)는 오목 거울일 수 있다.
상기 제3 미러(MR3)에서 반사된 레이저는 상기 기판(10) 상에 조사될 수 있다.
상기 레이저 광원(LS)에서 발생한 점상 레이저(spot beam laser)가 상기 제1 렌즈(LN1), 상기 제1 미러(MR1), 상기 제2 미러(MR2), 및 상기 제3 미러(MR3)를 통과하여 상기 기판(10) 상에 조사될 수 있다. () 이후, 상기 제1 미러(MR1)가 회전하여, 레이저가 조사된 레이저 조사 영역을 상기 y 방향(y)으로 이동 시킬 수 있다. ( 에서 까지의 점선 참조) 이에 따라 점상(spot) 레이저를 이용하여 선상(line) 영역에 대해 레이저를 조사할 수 있다. (1회의 스캔)
상기 점상 레이저의 조사 위치를 상기 x방향(x)으로 소정거리 이동시키고 상기 레이저 스캔( 에서 )을 반복하여, 상기 기판(10) 전체에 대해 레이저를 조사할 수 있다.
예를 들면, 파장 532 nm, 주파수: 30 MHz, 반치폭(FWHM): 15um, 에너지 밀도(Energy Density)250 mJ/cm2, 레이저 스캔 속도: 30 m/s, x 방향 이동 피치(Pitch): 2 mm, 입사각 θ: 7°, 발산각 θy: 0±15 mrad 의 레이저가 상기 기판(10)에 조사될 수 있으며, 상기 레이저 조사 장치(100)의 상기 제1 렌즈(LN1), 상기 제1 미러(MR1), 상기 제2 미러(MR2), 및 상기 제3 미러(MR3)가 상기 레이저의 조건들을 만족할 수 있게 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 레이저의 입사각θ는 0도(deg) 보다 크고 7.5도 이하일 수 있다. 이는 입사각이 0도 이상이어야 실리콘 표면에서의 돌기를 기점으로, 반사광과 굴절광이 감섭하여 표면파를 발생시키고, 상기 표면파의 강도 주기가 결정을 성장시키기 때문이다.
사각형 상기 레이저의 집광각α는 30[mrad] 이하일 수 있다. 상기 레이저의 입사각 θ, 발산각 θy, 경사각 성분φ 은, 아래의 수학식을 만족시킬 수 있다.
<수학식>
θy [mrad] < 9.33 x [deg]
또한, 앞서 설명한 바와 같이 상기 레이저의 집광각α은 30[mrad]이하일 수 있다.
상기 레이저 스캔 속도는 상기 제1 미러(MR1)를 회전시키는 속도에 따라 조절될 수 있다.
상기 기판(10) 상에는 비정질 실리콘 층이 형성되어 있으며, 상기 비정질 실리콘 층이 상기 레이저 조사에 의해, 결정화 되어, 폴리 실리콘(poly silicon)이 형성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상기 레이저 조사 장치(100)를 이용하면, 점상 레이저를 고속으로 스캔하여 상기 결정화를 수행할 수 있다. 이때, 고주파수 고체 레이저 광원을 사용하므로, 종래 기체 레이저를 사용하던 엑시머 레이저 어닐링 장비 대비 공정 비용이 감소할 수 있다.
또한, 상기 레이저는 일정 조건의 입사각, 발산각, 집광각을 유지한 채로 조사되므로, 정렬성이 좋은 다각형 결정을 형성할 수 있다.
상기 레이저 조사 장치(100)의 복수의 렌즈들 및 미러들은 상기 레이저의 스캔 과정에서 상기 레이저의 발산각θy 등의 특성을 일정하게 유지할 수 있도록 설계될 수 있다.
예를 들어, 파장: 532 nm, 주파수: 30 MHz, Beam Size (FWHM): 15mm, Energy Density: 250 mJ/cm2, Beam Scan 속도 30 m/s, x 방향 이동 Pitch: 2 mm, θ: 7°, θy: 0±15 mrad 로 설정되는 경우, 레이저 조사된 상기 폴리 실리콘 결정화 막의 AFM 분석 결과에서 ~550 nm 주기인 돌기 정렬성이 보이고 FFT(Fast fourier transform) 도형상 다중 간섭 없음을 확인 하였다.
한편, 레이저 스캔 중 상기 발산각θy 이 70 mrad 이상이 될 경우 결정의 정렬성이 사라짐을 확있하였으며, 따라서 상기 발산각θy 은 70 mrad 이하인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 위에서 설명된 수학식을 이용하여, 상기 입사각의 범위는 7.5도(deg) 이하여야 함을 알 수 있다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조사 장치(200)를 나타낸 도면이다.
도 9a 및 9b를 참조하면, 상기 레이저 조사 장치(200)는 상기 레이저의 경로에 배치되는 광학계를 제외하도 도 8a 및 8b의 레이저 조사 장치(100)와 실질적으로 동일하다. 따라서 반복되는 설명은 간략히 설명한다.
상기 레이저 조사 장치(200)는 레이저 광원(LS), 제1 렌즈(LN1), 제1 미러(MR1), 및 제2 렌즈(LN2)를 포함할 수 있다. 상기 레이저 조사 장치(200)는 기판(10)의 표면 상에 점상 레이저를 스캔 방식으로 조사 할 수 있으며, 도면에 표시된 점선은 하나의 스캔 영역에 대한 1회의 스캔을 도시하고 있다. (도 1 및 2의 설명의 제1 스캔 단계 참조)
상기 레이저 광원(LS)은 레이저 발진기 일 수 있다. 상기 레이저 발진기는, 예를 들어, 연속 발진형 레이저 발진기이거나, 또는 30 MHz 이상의 반복 주파수를 가지는 펄스 발진형 레이저 발진기일 수 있다.
상기 레이저 발진기는 공지의 연속 발진의 고체 레이저를 사용할 수 있다.
상기 레이저 광원(LS)로부터 방출된 레이저는 제1 렌즈(LN1)에 입사할 수 있다. 상기 제1 렌즈(LN1)은 집광용 광학계일 수 있으며, 예를 들어, 구면(球面) 렌즈 또는 플레넬(Flesnel)렌즈 등 일 수 있다. 상기 제1 렌즈(LN1)를 통과한 레이저는 상기 제1 미러(MR1)에서 반사된다.
상기 제1 미러(MR1)는 폴리곤 미러(polygon mirror)일 수 있으며, 상기 제1 미러(MR1)가 회전하여 상기 레이저를 반사하는 각도를 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 제1 미러(MR1)는 반사되는 레이저의 방향을 변화시키는 스캐너(scanner) 역할을 할 수 있다.
상기 제1 미러(MR1)에 의해 편향된 레이저 빔은 제2 렌즈(LN2)를 통과할 수 있다. 상기 제2 렌즈(LN2)는 fθ 렌즈일 수 있다. 상기 fθ 렌즈는 피조사체인 상기 기판(10) 상에 항상 초점을 맺도록 상기 레이저를 집광할 수 있다.
상기 제2 렌즈(LN2)를 통과한 레이저는 상기 기판(10) 상에 조사될 수 있다.
상기 레이저 광원(LS)에서 발생한 점상 레이저(spot beam laser)가 상기 제1 렌즈(LN1), 상기 제1 미러(MR1), 및 상기 제2 렌즈(LM2)를 통과하여 상기 기판(10) 상에 조사될 수 있다. () 이후, 상기 제1 미러(MR1)가 회전하여, 레이저가 조사된 레이저 조사 영역을 상기 y 방향(y)으로 이동 시킬 수 있다. ( 에서 까지의 점선 참조) 이에 따라 점상(spot) 레이저를 이용하여 선상(line) 영역에 대해 레이저를 조사할 수 있다. (1회의 스캔)
상기 점상 레이저의 조사 위치를 상기 x방향(x)으로 소정거리 이동시키고, 상기 레이저 스캔( 에서 )을 반복하여, 상기 기판(10) 전체에 대해 레이저를 조사할 수 있다.
이때 상기 레이저의 입사각θ, 발산각 θy, 경사각 성분φ, 집광각α 등의 바람직한 범위는 앞서 설명된 내용과 같다.
상기 레이저 스캔 속도는 폴리곤 미러인 상기 제1 미러(MR1)를 회전시키는 속도에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 레이저 조사 방법은 x 방향 및 상기 x 방향과 수직한 y 방향이 이루는 평면에 배치되는 기판의 표면에 레이저를 조사 한다. 상기 레이저 조사 방법은 점상 레이저(spot beam laser)를 이용하여, 상기 기판의 상기 표면 상의 레이저 조사 영역을 상기 y 방향을 따라 이동 시켜, 상기 x 방향으로 폭을 갖고 상기 y 방향으로 길이를 갖는 제1 영역에 레이저를 스캔(scan) 방식으로 조사하는 제1 스캔 단계, 상기 점상 레이저를 이용하여, 상기 기판의 상기 표면 상의 레이저 조사 영역을 상기 y 방향을 따라 이동 시켜, 상기 x 방향으로 폭을 갖고 상기 y 방향으로 길이를 갖는 제2 영역에 레이저를 스캔(scan) 방식으로 조사하는 제2 스캔 단계를 포함한다. 상기 제2 영역의 중심은 상기 제1 영역의 중심과 상기 x방향으로 이격된다.
상기 레이저 조사 방법 및 상기 레이저 조사 방법을 수행하기 위한 레이저 조사 장치는 점상 레이저(spot beam laser)를 이용하여, 스캔 방식으로 기판 상에 레이저를 조사할 수 있다. 이때, 상기 레이저의 입사각 θ, 발산각 θy, 경사각 성분φ 은, θy [mrad] < 9.33 x [deg] 를 만족시키고, 집광각α는 30[mrad] 이하일 수 있다. 이에 따라, 비용이 절감되면서도, 품질이 우수한 폴리 실리콘을 제조하기 위한 레이저 조사 방법 및 레이저 조사 장치가 제공될 수 있다.
본 발명은 유기 발광 표시 장치 및 이를 포함하는 다양한 전자 기기들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 휴대폰, 스마트폰, 비디오폰, 스마트패드, 스마트 워치, 태블릿 PC, 차량용 네비게이션, 텔레비전, 컴퓨터 모니터, 노트북, 헤드 마운트 디스플레이 등에 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200: 레이저 조사 장치
10: 기판
LS: 레이저 광원
LN1: 제1 렌즈
MR1: 제1 미러
MR2: 제2 미러
MR3: 제3 미러
LN2: 제2 렌즈

Claims (20)

  1. x 방향 및 상기 x 방향과 수직한 y 방향이 이루는 평면에 배치되는 기판의 표면에 레이저를 조사하는 방법에 있어서,
    점상 레이저(spot beam laser)를 이용하여, 상기 기판의 상기 표면 상의 레이저 조사 영역을 상기 y 방향을 따라 이동 시켜, 상기 x 방향으로 폭을 갖고 상기 y 방향으로 길이를 갖는 제1 영역에 레이저를 스캔(scan) 방식으로 조사하는 제1 스캔 단계;
    상기 점상 레이저를 이용하여, 상기 기판의 상기 표면 상의 레이저 조사 영역을 상기 y 방향을 따라 이동 시켜, 상기 x 방향으로 폭을 갖고 상기 y 방향으로 길이를 갖는 제2 영역에 레이저를 스캔(scan) 방식으로 조사하는 제2 스캔 단계를 포함하고,
    상기 제2 영역의 중심은 상기 제1 영역의 중심과 상기 x방향으로 이격되며,
    상기 레이저의 집광각α는 30[mrad] 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 조사 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 기판에 대해, 상기 레이저의 입사각 θ, 발산각 θy, 경사각 성분φ 은, 아래의 수학식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 레이저 조사 방법.
    <수학식>
    θy [mrad] < 9.33 x θ [deg]
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 입사각θ는 0도(deg) 보다 크고 7.5도 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 조사 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저는 연속 발진형 레이저 발진기이거나, 또는 30 MHz 이상의 반복 주파수를 가지는 펄스 발진형 레이저 발진기에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 레이저 조사 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 레이저 발진기는 YAG 레이저, YVO4 레이저, YLF 레이저, YAlO3 레이저, Y2O3 레이저, 유리 레이저, 루비 레이저, 알렉산드라이트 레이저, Ti:사파이어 레이저 등의 고체 레이저를 생성하는 것을 특징으로 하는 레이저 조사 방법.
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저는 레이저 광원, 제1 렌즈 및 스캐너를 차례로 거쳐 상기 기판에 조사되고, 상기 스캐너의 물리적 이동에 의해, 상기 레이저 조사 영역이 이동되는 것을 특징으로 하는 레이저 조사 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 스캐너는 회전 가능한 갈바노 미러(galvano mirror) 인 것을 특징으로 하는 레이저 조사 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 스캐너는 회전 가능한 폴리곤 미러인 것을 특징으로 하는 레이저 조사 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저가 발생되는 레이저 광원에서의 상기 레이저의 직경은 10mm (밀리미터)이하 이고, 상기 기판 상에서의 상기 레이저의 직경은 100 um(마이크로 미터) 이하 이고, 상기 레이저 광원에서 상기 기판까지의 광경로는 1m(미터)이상인 것을 특징으로 하는 레이저 조사 방법.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 기판 상에는 비정질 실리콘 층이 형성되어,
    상기 레이저가 상기 비정질 실리콘 층에 조사되어, 상기 비정질 실리콘 층을 결정화 하는 것을 특징으로 하는 레이저 조사 방법.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 일부 중첩하는 것을 특징으로 하는 레이저 조사 방법.
  13. 기판 상에 레이저를 조사하는 레이저 조사 장치에 있어서,
    상기 레이저를 발생하는 레이저 광원;
    상기 레이저 광원에서 발생한 상기 레이저가 통과하는 제1 렌즈; 및
    상기 제1 렌즈를 통과한 상기 레이저가 반사되고, 상기 반사되는 레이저의 방향을 변화 시키는 스캐너를 포함하고,
    상기 기판에 대해, 상기 레이저의 입사각 θ, 발산각 θy, 경사각 성분φ 은, 아래의 수학식을 만족시키고, 상기 레이저의 집광각α는 30[mrad] 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 조사 장치.
    <수학식>
    θy [mrad] < 9.33 x θ [deg]
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 입사각θ는 0도(deg) 보다 크고 7.5도 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 조사 장치.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 레이저는 연속 발진형 레이저 발진기이거나, 또는 30 MHz 이상의 반복 주파수를 가지는 펄스 발진형 레이저 발진기에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 레이저 조사 장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 레이저 발진기는 YAG 레이저, YVO4 레이저, YLF 레이저, YAlO3 레이저, Y2O3 레이저, 유리 레이저, 루비 레이저, 알렉산드라이트 레이저, Ti:사파이어 레이저 등의 고체 레이저를 생성하는 것을 특징으로 하는 레이저 조사 장치.
  17. 삭제
  18. 제13 항에 있어서,
    상기 스캐너는 회전 가능한 갈바노 미러(galvano mirror) 인 것을 특징으로 하는 레이저 조사 장치.
  19. 제13 항에 있어서,
    상기 스캐너는 회전 가능한 폴리곤 미러인 것을 특징으로 하는 레이저 조사 장치.
  20. 제13 항에 있어서,
    상기 레이저가 발생되는 레이저 광원에서의 상기 레이저의 직경은 10mm (밀리미터)이하 이고, 상기 기판 상에서의 상기 레이저의 직경은 100 um(마이크로 미터) 이하 이고, 상기 레이저 광원에서 상기 기판까지의 광경로는 1m(미터)이상인 것을 특징으로 하는 레이저 조사 장치.
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