KR20120098623A - 바람직한 펄스 형태를 갖는 레이저 펄스의 버스트를 사용하여 박막 물질에 라인을 스크라이빙하는 방법 및 장치 - Google Patents

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이에스아이-파이로포토닉스 레이저스, 인코포레이티드
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Abstract

각각의 펄스가 종래의 레이저 시간적 파워 형태 대신에 바람직한 시간적 파워 형태를 갖는, 펄스 트레인의 일련의 레이저 펄스들이 기판 상의 박막 물질에 라인을 스크라이빙한다. 상기 바람직한 시간적 펄스 형태는 스파이크/안정기 의자 형태 또는 사각 펄스 형태를 갖는다. 스크라이빙되어야 하는 라인을 따라서 인접하는 레이저 펄스 스폿들 사이에 중첩하는 영역이 존재하도록, 일련의 레이저 펄스 스폿을 상기 라인 상에 위치시킴으로써 박막에 라인을 스크라이빙할 수 있다. 박막에 라인을 스크라이빙하기 위해 바람직한 펄스 형태를 갖는 일련의 레이저 펄스를 사용함으로써, 종래의 펄스 형태를 사용하여 얻어지는 것과 비교하여 더 좋은 품질과 더 깔끔한 스크라이빙 공정을 얻을 수 있다.

Description

바람직한 펄스 형태를 갖는 레이저 펄스의 버스트를 사용하여 박막 물질에 라인을 스크라이빙하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS TO SCRIBE A LINE IN A THIN FILM MATERIAL USING A BURST OF LASER PULSES WITH BENEFICIAL PULSE SHAPE}
관련 출원의 상호 참조
본원은, "바람직한 펄스 형태를 갖는 레이저 펄스의 버스트를 사용하여 박막 물질에 라인을 스크라이빙하는 방법 및 장치(Method and Apparatus to Scribe a Line in a Thin Film Material Using a Burst of Laser Pulses With Beneficial Pulse Shape)"라는 명칭으로 2009년 9월 24일에 출원된 미합중국 임시 특허출원 제61/245,582호를 우선권 주장의 기초로 하며, 상기 출원의 개시 내용은 그 전체가 모든 목적을 위해 참조에 의하여 본 명세서에 편입된다.
본 발명은 일반적으로 물질의 레이저 가공에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 레이저 가공 분야에서 더 좋은 가공 품질과 더 높은 처리량이 가능하도록 특정한 형태를 갖는 일련의 레이저 펄스를 이용하는 방법 및 장치와 관련된다. 본 발명은 또한 기판 상의 박막 물질의 스크라이빙(scribing)에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 더 넓은 적용 가능성을 갖고 다른 응용 분야 및 다른 물질에 적용가능하다.
Nd:YAG 레이저와 같은 펄스형 레이저 소스는 마킹(marking), 인각(engraving), 마이크로 기계 가공, 절삭, 및 스크라이빙과 같은 용도로 레이저 기반의 물질 가공을 수행하기 위해 사용되어 왔다. 레이저가 통상적으로 사용되는 이러한 가공 중 한 가지는 기판 상의 소정 물질의 박막에 라인(line)을 스크라이빙하는 것이다. 매우 일반적인 용어로 박막은 몇 개의 분자 두께에 불과한 물질의 층으로서 정의된다. 실제로, 박막은 그 두께가 일반적으로 25nm과 2마이크론(micron) 사이이다. 기판은 그 위에 박막이 놓이는 물질이고 기판은 실질적으로 박막보다 두껍다. 전자 디바이스, 전기-광학 디바이스, 광학 디바이스 및 부식 방지와 같은 영역에서는 많은 경우 박막을 사용한다. 예컨대, 광전지(photovoltaic) 또는 태양 전지는 비정질(amorphous) 실리콘, 카드뮴 텔루라이드(cadmium telluride), 구리 인듐 디셀레나이드(copper indium diselenide), 구리 인듐 갈륨 디셀레나이드(copper indium gallium diselenide), 또는 몰리브덴(molybdenum)의 박막과 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO), 산화 아연(zinc oxide; ZnO) 및 알루미늄 또는 몰리브덴과 같은 다른 금속의 산화물과 같은 투명 도전 산화물(transparent conductive oxide; TCO) 물질의 박막을 사용하여 만들어진 전극을 포함할 수 있다. 이들 물질 또는 다른 물질의 박막은 평판 디스플레이와 디지털 디스플레이에서도 사용된다.
더 두꺼운 기판 상의 박막 물질에 라인을 스크라이빙한다는 것은 기판에 이르기까지 박막 물질을 모두 제거하고 이것을 라인을 따라서 행한다는 것을 의미한다. 상대적으로 두꺼운 라인에 있어서, 나이프가 사용될 수 있지만 거친 모서리와 박막 물질의 불충분한 제거를 일으키는 경우가 많다. 전자 디바이스에서 요구되는 라인의 폭은 매우 얇을 수 있다. 레이저는 매우 얇은 라인을 절삭하고 박막 물질을 깨끗하게 제거하는데 사용될 수 있기 때문에 박막 물질에 라인을 스크라이빙하는 용도로 사용된다.
TCO의 스크라이빙에서, 관찰되는 하나의 파라미터는 스크라이빙된 라인에 걸쳐 얻어지는 비저항이다. 비저항은 스크라이빙 공정에서 제거되는 TCO 물질의 양에 의해 영향을 받고 따라서 목적은 절삭되는 홈에서 모든 TCO 물질을 제거하는 것이다. 한 가지 문제는 절삭 공정에서 생성되는 잔여물(residue)과 잔해(debris)의 양일 수 있다. 제거된 TCO 물질은 스크라이빙 중에 홈을 가로질러 떨어져서 비저항을 감소시킨다. 이것이 즉시 일어나지는 않는다고 해도, 잔해가 홈으로 쓸려 들어가기 때문에 잔해의 존재는 일정 시간 후에 비저항의 감소를 일으킬 수 있다. 제조 공정의 목적은 잔여물과 잔해의 양을 최소화하는 것이다. 이러한 이유로, 유리 기판을 관통하는 빔으로 레이저 스크라이빙을 행하는 경우가 많고, 이것이 "이차 표면(second-surface)" 가공이다; 이는 표면에 붙는 잔여물과 잔해의 양을 감소시키는데 도움이 되지만, 일부 잔여물과 잔해는 남는다. 이상적인 값은 응용 분야에 따라 다르지만 일반적으로 허용가능한 비저항의 값은 200메가옴(MegaOhm)이다.
레이저 스크라이빙 공정의 품질에 영향을 미치는 또 다른 문제는 스크라이빙된 홈의 TCO 물질의 벽에 또는 유리 기판에 발생하는 미세 균열이다. 시간이 지남에 따라, 미세 균열은 전파되고 점점 커져서 결국 스크라이빙된 홈에 또는 홈을 가로질러서 기계적 흠결이 나타날 수 있다. 이러한 흠결은 표준 "초기 수명 종료(infant mortality)" 테스트 단계 후 일정 시간에 장치의 파괴를 일으킬 수 있고 따라서 대응하기 어렵기 때문에, 그 발생을 방지해야 한다. 레이저 펄스에 의한 박막 또는 기판의 물리적 품질 저하는 최소화되어야 한다. 만약 존재한다면, 미세 균열 및 잔여물과 잔해는 고배율 광학 현미경을 사용하여 관찰될 수 있다.
응용 분야 및 가공되는 물질에 따라서, 펄스 에너지, 펄스 폭, 펄스 반복률, 피크 파워(peak power) 또는 에너지, 및 펄스 형태를 포함하는 레이저 펄스의 다양한 특성을 특정 용도에 따라 적합하게 선택하는 것이 유리할 수 있다. 다양한 물질의 가공을 최적화하기 위해 펄스 에너지 및 파워를 주의깊게 제어하는 많은 예들이 존재한다.
펄스당 0.5mJ보다 큰 펄스 에너지를 특징으로 하는 기존의 많은 고출력 펄스형 레이저들은 광 펄스를 발생시키기 위해 Q-스위칭(Q-switching) 및 모드 로킹(mode locking)과 같은 기술에 의존한다. 그러나, 이러한 레이저들은 캐비티(cavity) 형상, 거울 반사율 등에 의해 미리 정해지는 특성을 갖는 광 펄스를 생성한다. 이러한 레이저를 사용하면, 즉각적으로 용도에 최적인 펄스 형태를 얻는 것이 일반적으로 어렵고 따라서 많은 경우 레이저 가공은 충분하지 않다.
따라서, 박막 스크라이빙 공정의 품질과 수율을 향상시키는, 박막 재료의 스크라이빙 시스템 및 방법이 요구된다.
본 발명은, 도 1a에 개략적으로 도시된, 바람직하게 형성된 시간적(temporal) 펄스 형태를 갖는 개별 펄스들로 구성되는 레이저 펄스들의 버스트(burst)를 사용하여 기판 상의 소정 물질의 박막 층에 라인을 스크라이빙 또는 절삭하는 방법을 개시하며, 레이저에 의해 방출된 종래의 시간적 펄스 형태 대신 상기 펄스 형태를 사용하면 필름 스크라이빙 공정의 품질과 수율을 향상시킬 수 있는 다양한 장점을 갖는다. 일 실시예에서, 바람직하게 성형된(beneficially shaped) 펄스는 일반적으로 의자 형태의 파워 시간 프로파일로 기술되는데, 도 1b에 개략적으로 도시된 바와 같이 초기의 파워 스파이크 이후에 현저히 길지만 더 낮은 파워의 안정기(plateau)를 갖는다. 포커싱된(focused) 레이저 빔 스폿의 다수의 펄스들이 스폿이 일정하게 중첩되면서 박막 물질을 가로질러 주사되는 스크라이빙 공정에서, 이전에 사용되던 종래의 시간적 펄스 형태 대신에 이러한 일반적인 형태의 바람직하게 성형된 펄스가 사용된다면 스크라이빙 공정의 품질이 현저히 향상될 수 있다. 보다 구체적으로, 펄스들의 버스트에 있어서 각각의 펄스의 펄스 길이(FWHM 반치폭(full width half maximum))는 1ns 내지 200ns이고, 스파이크의 펄스 길이 FWHM는 0.3ns보다 크지만 전체 펄스의 펄스 길이의 30%보다는 작다. 스파이크의 피크 파워는 전체 펄스의 평균 피크 파워의 1.5배 내지 10배 사이이다.
다른 실시예에서, 스크라이빙 공정은 도 2a에 개략적으로 도시된 레이저 펄스들의 버스트를 사용하는데, 각각의 펄스는 2b에 개략적으로 도시된 바와 같이 가파르게 상승하는 리딩 에지(leading edge)를 갖는 단순한 스퀘어-탑(square-topped; 상부가 각진) 펄스 형태로서 기술될 수 있는, 바람직하게 성형된 펄스 형태를 갖는다. 포커싱된 레이저 빔 스폿의 다수의 펄스들이 스폿이 일정하게 중첩되면서 박막 물질을 가로질러 주사되는 스크라이빙 공정에서, 이전에 사용되던 종래의 시간적 펄스 형태 대신에 이러한 스퀘어-탑 형상의 바람직하게 성형된 펄스가 사용된다면 스크라이빙 공정의 품질이 향상될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 사각 펄스의 펄스 길이(FWHM 반치폭)는 1ns 내지 200ns이다.
박막 스크라이빙 공정에 있어서 바람직한 펄스 형태의 사용은 많은 장점을 갖는다. 예를 들어, 태양 전지판에서 통상적으로 사용되는 물질인 유리 기판 상의 산화 아연 박막의 레이저 스크라이빙에 있어서, 사각형의 시간적 펄스를 사용하면 유리 기판에 미세 균열이 생기지 않는데, 이는 기판에 현저한 미세 균열을 일으키는 종래 형태의 레이저 시간적 펄스를 사용하는 상황과 비교된다. 동일한 물질에서, 스파이크/안정기 의자 형태의 레이저 펄스는 유리 기판 내와 ZnO 물질의 스크라이빙된 모서리 어디에도 미세 균열을 일으키지 않고, 이는 기판 내와 ZnO 물질의 스크라이빙된 모서리에 현저한 미세 균열을 일으키는 종래 형태의 레이저 시간적 펄스를 사용하는 상황과 비교된다. 또한, 스파이크/안정기 의자 형태의 레이저 펄스는 스크라이빙된 라인에서 ZnO 잔여물과 잔해의 생성을 현저히 감소시킨다. 바람직한 펄스 형태의 사용은 그로부터 생성된 디바이스의 품질을 현저히 향상시키고, 제조의 다음 단계로 진행되도록 허용될 수 있는 디바이스의 수가 증가하기 때문에 수율을 크게 향상시킨다.
대부분의 레이저들은 최대 평균 출력 또는 펄스 에너지 또는 반복 주파수를 제공하도록 설계되고 출력 펄스의 형태는 거의 고려하지 않는다. 도 3에 개략적으로 도시된 것과 같은 프리런닝(free running), Q-스위칭(Q-switching) 또는 모드 로킹(mode locking)된 레이저의 종래의 시간적 펄스 형태는 상승 리딩 에지, 둥근 정상, 및 서서히 내려가는 하강 에지를 갖는다. 이러한 펄스 형태는 주로 레이저 이득 매질, 레이저 펌핑 수단 및 캐비티 설계에 의해 결정된다. 그러나, 일부 레이저 시스템의 출력 펄스 형태를 제어하는 것이 가능하다. 다이오드 레이저와 같은 펄스형 레이저 소스는 펄스형 전자 구동 신호를 제공함으로써 간단히 맥동(脈動)시킬 수 있다. 따라서 광학 레이저 펄스의 펄스 형태는 다이오드 레이저로의 전자 구동 신호의 형태를 선택함으로써 미리 결정될 수 있다. 이러한 펄스형 레이저 소스로부터의 성형 신호는 파이버(fiber) 레이저 증폭기와 같은 레이저 증폭기에서 증폭될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 이러한 설계의 발진기 증폭기 레이저 시스템이 제공되고, 박막 물질을 스크라이빙하기에 적합한, 바람직하게 성형된 시간적 펄스 형태를 갖는 일련의 레이저 펄스를 생성한다.
다른 실시예에서는, 바람직하게 성형된 시간적 펄스 형태를 갖는 일련의 레이저 펄스를 생성하기 위해 좀더 복잡한 레이저 시스템이 제공된다. 2008년 9월 12일에 출원된 "성형된 광 파형을 방출하는 펄스형 레이저 소스를 위한 방법 및 시스템(Method and system for a Pulsed Laser Source Emitting Shaped Optical Waveforms)"이라는 명칭의 미합중국 특허출원 제12/210,028호를 포함하는 부록 A(Appendix A)는, 조정가능한 펄스형 레이저 소스의 예를 개시한다. 상기 펄스형 레이저 소스는 시드 신호를 생성하는 시드(seed) 소스 및 상기 시드 소스에 연결된 제1 포트, 제2 포트 및 제3 포트를 구비한 광 순환기(optical circulator)를 포함한다. 상기 펄스형 레이저 소스는 또한 성형된 전기 파형을 생성하는 변조기 드라이버(modulator driver) 및 상기 변조기 드라이버에 연결되고 상기 성형된 전기 파형을 수취하는 진폭 변조기를 포함한다. 상기 진폭 변조기는 상기 광 순환기의 상기 제2 포트에 연결된 제1측 및 제2측을 포함한다. 상기 펄스형 레이저 소스는 입력단(input end) 및 반사단(reflective end)을 특징으로 하는 제1 광 증폭기를 더 포함한다. 상기 입력단은 상기 진폭 변조기의 상기 제2측에 연결된다. 또한, 상기 펄스형 레이저 소스는 상기 광 순환기의 상기 제3 포트에 연결된 제2 광 증폭기를 포함한다. 2008년 9월 27일자로 발행된 "성형된 광 파형을 갖는 펄스형 레이저 소스를 위한 방법 및 시스템(Method and System for Pulsed Laser Source with Shaped Optical Waveforms)"라는 명칭의 미합중국 특허 제7,428,253호를 포함하는 부록 B 또한, 조정가능한 펄스형 레이저 소스의 예들을 개시한다.
또 다른 실시예에서, 바람직하게 성형된 시간적 펄스 형태를 갖는 일련의 레이저 펄스를 생성하기 위해 다른 설계의 레이저가 제공된다. 미합중국 임시특허출원 제61/186,317호를 포함하는 부록 C는, 안정적인 펄스형 레이저 소스의 예를 개시한다. 이 펄스형 레이저 소스는 안정화(stabilizing) 광 복사를 생성하는 안정화 소스, 및 상기 안정화 소스에 연결된 제1 포트, 제2 포트 및 제3 포트를 구비한 광 순환기를 포함한다. 상기 펄스형 레이저 소스는 또한 원하는 형태의 신호 펄스를 생성하는 신호 소스를 포함하고, 상기 신호 소스는 상기 광 순환기의 상기 제2 포트에 연결된다. 상기 펄스형 레이저 소스는 상기 광 순환기의 상기 제3 포트에 연결된 광 증폭기를 더 포함한다.
상기와 같이, 바람직하게 성형된 시간적 펄스 형태를 제공하기 위해 사용될 수 있는 다수의 설계가 존재한다. 본 발명의 다른 실시예에서는, 기판 상의 박막 물질의 층 또는 층들에 라인을 스크라이빙 또는 절삭하기 위한 물질 가공 시스템이 개시된다. 상기 시스템은 바람직하게 성형된 시간적 펄스 형태 또는 형태들을 제공하는 레이저를 포함하여, 박막 물질을 최적으로 가공하고 이로써 다음의 이점들 중 하나 또는 그 이상을 성취한다: (1) 기판에 미세 균열이 형성되는 것을 줄이거나 차단함; (2) 박막 절삭 영역의 모서리를 따라서 미세 균열이 형성되는 것을 줄이거나 차단함; (3) 잔해 형성을 줄임; (4) 표면 영역 잔여물을 줄임. 상기 물질 가공 시스템은 레이저뿐 아니라, 스크라이빙 공정을 수행하기 위해서 박막 물질을 가로질러 한 줄로 레이저 빔을 포커싱하고, 촬영하고 주사하는 수단을 포함하고, 주사된 레이저 스폿의 중첩을 조정하는 수단과 공정을 제어하는 컴퓨터를 포함한다. 관련된 실시예에서, 물질 가공 시스템은 또한 조화파 발생 공정을 사용하여 레이저의 파장을 변화시키는 수단을 포함할 수 있다.
본 발명을 사용하면 종래 기술로부터 예측할 수 없는 다수의 장점들이 성취된다. 예를 들어, 본 발명에 의한 일 실시예에서는, 비슷한 성능 특성을 갖는 레이저들에 비해 가격이 낮고 단순한 구조를 이용하는 박막 물질의 레이저 스크라이빙에 적합한 고출력의, 펄스형 레이저가 제공된다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서, 박막 물질의 스크라이빙을 위한 레이저 펄스 프로파일을 최적화하기 위해 광 펄스가 성형될 수 있도록, 이러한 박막 물질의 레이저 스크라이빙에 적합한 펄스형 레이저가 제공된다. 실시예에 따라서는, 예컨대, 가공된 물품의 품질 및 수율의 향상을 포함하는 다수의 이점이 존재한다. 이러한 그리고 다른 이점들은 본 명세서 전반에 걸쳐, 특히 이하에서 보다 구체적으로 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 추가적인 목적, 특성 및 이점은 첨부된 도면 및 발명의 상세한 설명을 참조로 보다 충분히 이해될 수 있다.
도 1a는, 기판 상의 박막 물질에 라인을 스크라이빙하기에 적합한, 의자(chair) 펄스 형식의 바람직하게 성형된 펄스 형태를 갖는 펄스들의 버스트를 도시하는 개념도이다. 이 도면에서, 시간은 수평축이고 파워는 세로축이다.
도 1b는 스파이크/안정기 의자 펄스 형태의 실시예를 도시한다.
도 1c는 드룹(droop)을 갖는 스파이크/안정기 의자 펄스의 실시예를 도시한다.
도 1d는 의자 펄스 형태의 다른 실시예를 도시한다.
도 1e는 의자 펄스 형태의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 2a는, 기판 상의 박막 물질에 라인을 스크라이빙하기에 적합한, 사각(square) 펄스 형식의 바람직하게 성형된 펄스 형태를 갖는 펄스들의 버스트를 도시하는 개념도이다.
도 2b는 상면이 평평한 사각 펄스를 도시하고, 여기서 시간은 수평축이고 파워는 세로축이다.
도 2c는 드룹을 갖는 사각 펄스를 도시하고, 여기서 시간은 수평축이고 파워는 세로축이다.
도 3은 기판 상의 박막 물질의 스크라이빙에 사용되는 종래의 레이저 펄스에 있어서의 시간적 펄스 형태를 도시하는 개념도이다. 이 도면에서, 시간은 수평축이고 파워는 세로축이다.
도 4는, 각 펄스의 가공 영역이 이전 펄스 및 다음 펄스에 의해 가공되는 영역과 중첩되도록 다수의 레이저 펄스를 사용하는 박막 물질의 레이저 스크라이빙 가공의, 기판을 통한 상면도를 도시하는 개념도이다. 이 특정 도면에서는 스폿 중첩이 약 30%지만, 가공을 위해 선택되는 스폿 중첩의 값은 10% 내지 95% 범위일 수 있다.
도 5a는 기판 36 상에 퇴적된 하나의 박막 물질 37과 상기 박막에 스크라이빙된 홈 35의 측단면도를 도시하는 개념도이다. 또한, 기판의 미세 균열 40, 스크라이빙된 박막의 모서리의 미세 균열 39, 및 표면에 부착될 수 있는 제거된 박막 물질로부터의 잔여물과 잔해 38이 도시된다. 박막 물질의 레이저 스크라이빙을 할 때 종래의 레이저 펄스 형태를 사용하면 이러한 미세 균열과 잔여물 및 잔해가 나타나는 경우가 많다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예를 사용하여 얻어진, 기판에 미세 균열이 없고 스크라이빙된 박막의 모서리의 미세 균열이 감소된, 도 5a에 도시된 구조의 측단면도를 도시하는 개념도이다.
도 5c는 본 발명의 다른 실시예를 사용하여 얻어진, 기판과 스크라이빙된 박막의 모서리에 미세 균열이 없고 잔여물과 잔해의 양이 감소된, 도 5a에 도시된 구조의 측단면도를 도시하는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 바람직한 펄스 형태를 갖는 출력 레이저 펄스들의 버스트를 제공하는, 펄스 특성이 조정가능한 펄스형 레이저를 단순화하여 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 바람직한 펄스 형태를 갖는 출력 레이저 펄스들의 버스트를 제공하는, 펄스 특성이 조정가능한 펄스형 레이저를 단순화하여 도시한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 바람직한 펄스 형태를 갖는 출력 레이저 펄스들의 버스트를 제공하는, 펄스 특성이 조정가능한 펄스형 레이저를 단순화하여 도시한 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 기판 상의 박막에 라인을 스크라이빙하기에 적합한 레이저 가공 시스템을 단순화하여 도시한 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 바람직한 펄스 형태를 갖는 펄스들의 버스트를 사용하는, 박막 물질에 라인을 스크라이빙하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
부록 A, B 및 C는 레이저에 관한 추가적인 정보를 제공하고 그 전체가 모든 목적을 위해 참조에 의하여 본 명세서에 편입된다.
태양 전지, 평판 디스플레이, 및 디지털 디스플레이의 제조에 있어서, 유리 기판 상에 퇴적된 투명 도전 산화물(transparent conducting oxide; TCO) 물질의 박막은 상기 TCO 물질에 라인을 스크라이빙함으로써 구획되어야 하고, 이로써 라인의 한쪽의 TCO 구획과 상기 라인의 다른 한쪽의 TCO 구획이 서로 전기적으로 분리되도록 구획된다. 펄스형 레이저를 사용하는 라인의 스크라이빙은 복수의 레이저 펄스들의 버스트를 사용하는 다중 펄스 가공이고, 각각의 펄스는 박막의 스폿에 포커싱되고 이 스폿은 스크라이빙되어야 하는 원하는 라인을 따라서 주사되어 각각의 스폿은 이전의 스폿 및 다음의 스폿과 일부가 중첩되게 된다. 스크라이빙된 라인의 폭은 주로 포커싱된 레이저 스폿의 크기에 의해 결정된다. 10마이크론(micron) 내지 100마이크론 범위의 폭을 갖는 라인들이 유리 기판 상의 ZnO 박막에 스크라이빙되고, 더 얇은 라인이 얻어질 수도 있다. TCO 물질을 적절히 제거하여 기판 상에 깔끔한 라인을 남기기 위해서 일정한 양의 스폿 중첩이 사용된다. 이렇게 해서, 스크라이빙 공정은 필수적으로 단일 펄스 공정이 아닌 다중 펄스 공정이다. 펄스 간의 중첩의 양은 스크라이빙 공정을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 박막이 두꺼울수록, 더 많은 중첩이 사용될 수 있다. 일예에서 펄스 중첩은 30%이지만, 이 값은 가공되는 물질의 특성에 따라서는 10% 정도로 낮은 값으로부터 95% 정도의 높은 값 까지 달라질 수 있다.
박막의 레이저 스크라이빙의 개념적 표현은 도 4에 도시된다. 스크라이빙 공정은 일반적으로 레이저 빔이 먼저 기판을 통과하여 박막에 접근하는 이차 표면(second-surface) 가공이지만, 기판을 통과하지 않고 레이저가 직접 박막을 스크라이빙하도록 사용될 수도 있다. 박막의 레이저 스크라이빙은 적어도 10 펄스를 포함하는 레이저 펄스들의 버스트를 필요로 하는 다중 펄스 공정이다. 각각의 펄스는 박막 물질의 스폿에 포커싱되고 이 스폿을 비춘다. 스크라이빙되어야 하는 라인의 시작 지점에 첫 번째 스폿이 위치하도록 상기 버스트의 첫 번째 펄스 31이 지향된다. 상기 버스트에서 이어지는 각각의 펄스는 부분 중첩 값 OL%이 10% 내지 95%이 되도록 이전의 스폿에 인접하는 스폿을 향한다. 도 4에 도시된 스폿 중첩의 값은 약 30%이다. 따라서, 상기 펄스들의 버스트의 각각의 펄스는 스크라이빙되어야 하는 라인을 따라 일정한 위치를 향하고 마지막 펄스 32는 스크라이빙되어야 하는 라인의 끝에 이 펄스가 위치하도록 지향된다. N이 버스트의 펄스 수이고, d는 박막에서 포커싱된 스폿의 직경이며, OL%는 %로 표시된 중첩 값인 경우, 스크라이빙되는 라인의 길이 L은 수학식 1에 의해 구해진다.
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스크라이빙된 라인의 폭은 포커싱된 스폿 크기, 스폿 중첩, 및 박막과의 상호작용의 함수이다; 이상적으로는, 스크라이빙된 라인의 폭은 포커싱된 스폿의 직경과 거의 동일하다. 스폿 중첩의 선택은 공정을 최적화하기 위해 변경되는 공정 파라미터이다. 얇은 재료에 있어서는, 예컨대 1m/sec에 이르는 빠른 스크라이빙 속도를 제공하는, 10%와 같은 매우 낮은 스폿 중첩을 사용하는 것이 가능하다. 두꺼운 물질에 있어서는, 박막 물질이 깨끗하게 제거되도록 일반적으로 더 큰 중첩이 선택된다.
도 5a는 기판 36 상에 퇴적된 하나의 박막 물질 37과 상기 박막에 스크라이빙된 홈 35의 측단면도를 도시하는 개념도이다. 또한, 기판의 미세 균열 40, 스크라이빙된 박막의 모서리의 미세 균열 39, 및 표면에 부착될 수 있는 제거된 박막 물질로부터의 잔여물과 잔해 38이 도시된다. 박막 물질의 레이저 스크라이빙을 할 때 도 3에 개념적으로 도시된 종래의 레이저 펄스 형태를 사용하면 이러한 미세 균열과 잔여물 및 잔해가 나타나는 경우가 많다. 본 발명의 목적은 미세 균열 및 잔여물과 잔해 형성을 줄이거나 제거함으로써 박막 스크라이빙의 품질을 향상시키는 방법과 장치를 제공하는 것이다.
도 1a 및 2a는 각각, 본 발명의 실시예들에 의한 다양한 바람직한 펄스 형태를 갖는 펄스들의 버스트 11과 21을 도시하고, 이들은 동일한 공정을 위해 도 3에 도시된 종래의 펄스 형태를 갖는 레이저 펄스들의 버스트를 사용하여 얻어지는 더 낮은 품질과 비교할 때 유리 기판 상의 박막에서의 라인 스크라이빙의 품질을 향상시킨다. 각각의 버스트는 적어도 10개의 펄스를 포함한다. 특히, 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 펄스들의 버스트를 도시한다. 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 의한, 펄스 길이 FWHM이 T1, 전방 에지 상승 시간(10%에서 90%)이 RT1, 후방 에지 하강 시간(90%에서 10%)이 FT1인 바람직한 펄스 형태를 도시한다. 평평한 최상부의 피크 파워는 H1이다. 도 5a에 도시된 바와 같이 유리 기판과 ZnO 스크라이빙의 모서리에 현저한 미세 균열을 나타내는 종래의 펄스 형태를 갖는 펄스들의 버스트를 사용하여 스크라이빙된 라인과 비교할 때, 도 2b의 사각 펄스 형태의 펄스들의 버스트를 사용하여 스크라이빙된 라인은 도 5b에 개념적으로 도시된 바와 같이 유리 기판에 미세 균열이 나타나지 않고 스크라이빙된 ZnO 영역의 모서리에서 미세 균열이 감소된다. 본 발명의 일 실시예에서, 펄스 에너지가 135마이크로주울(microJoule), 스폿 크기가 50마이크론, 펄스 길이가 50ns, RT1과 FT1 값이 1ns, 반복률이 초당 36,000 펄스, 스폿 중첩이 다양한 값(10%, 25%, 및 50% 중첩을 포함)인, 도 2b의 펄스 형태를 갖는 파장이 1064nm인 레이저로부터의 펄스들의 버스트를 사용하여 두께 6mm의 유리 기판 상의 두께 450nm의 ZnO 필름에 스크라이빙된 폭이 54마이크론인 라인은 기판의 미세 균열을 나타내지 않는다. 또한, 제거되는 물질의 폭이 종래의 펄스 형태에 의한 44마이크론으로부터 동일한 펄스 에너지를 갖는 사각 펄스 형태에 의한 54마이크론으로 증가하기 때문에, 스크라이빙 공정의 효율이 증가한다. 펄스 형태를 사각 펄스 형태로 바꿈으로써 스크라이빙되는 라인의 폭이 뚜렷이 증가하고 유리 기판의 미세 균열의 형성이 효율적으로 방지된다. 그러나, 본 발명의 일 실시예의 특정 파라미터들이 이러한 값들로 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에서, 사각 펄스의 펄스 길이 T1은 1ns와 200ns 사이가 될 것이다. 사각 펄스의 상승 시간 RT1은 0.3ns보다 크지만 펄스 길이 T1의 10%보다 작다. 하강 시간 FT1은 펄스 길이 T1의 30%보다 작을 것이다. 도 2c에 도시된 바와 같이 사각 펄스 형태가 일정한 드룹을 갖더라도 H1-H2가 H1의 50%보다 작은 한은 유사한 향상이 달성된다.
다른 값의 스폿 크기와 스크라이빙 속도를 사용해서 유사한 향상을 얻을 수 있다. 예컨대, 다양한 스폿 중첩 값(10%, 25% 및 50% 중첩을 포함)으로, 25마이크론의 스폿 크기로 포커싱된 초당 72,000 펄스로 동작하는 42마이크로주울(microJoule)의 펄스 에너지를 갖는 레이저를 사용해서 폭이 25마이크론인 라인을 스크라이빙할 때 품질에 있어서의 유사한 향상이 관찰되었다. 마찬가지로, 다양한 스폿 중첩 값(10%, 25% 및 50% 중첩을 포함)으로, 10마이크론의 스폿으로 포커싱된 초당 260,000 펄스로 동작하는 7마이크로주울의 펄스 에너지를 갖는 레이저를 사용하는 경우에도 ZnO 스크라이빙의 품질에 있어서 유사한 향상이 관찰되었다. 모든 경우, 본 명세서에 개시된 스퀘어-탑(square-topped) 펄스의 사용은 상기와 같은 스크라이빙 품질의 향상을 가져온다.
미세 박막의 경우에는, 각각의 포커싱된 스폿에서 물질을 제거하기 위해 작은 중첩이 사용될 수 있지만, 물질의 두께가 증가함에 따라 펄스 에너지를 증가시키는 것보다는 스폿 중첩을 증가시키는 것이 더 좋을 수 있다. 낮은 스폿 중첩은, 스폿 중첩이 높을 때보다, 스폿이 중첩하는 스크라이빙된 라인의 모서리에 더 많은 변조를 일으킬 수 있다. 그러나, 각각의 스폿 중첩의 모서리에 존재하는 이러한 예리한 지점은 박막 에지에서 보이는 미세 균열과는 다르다. 따라서, 일 실시예에서는, 스폿 중첩의 증가에 의하여, 어떤 펄스 형태에 대해서도 미세 균열에 영향을 미치지 않으면서, 스폿이 중첩되는 예리한 모서리가 감소된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 도 1a에 개념적으로 도시된 것과 같은 레이저 펄스들의 버스트가 박막 물질을 에칭하기 위해 사용된다. 각각의 펄스들의 버스트는 적어도 10개의 펄스를 포함한다. 일 실시예에서, 펄스들의 버스트 내에 있는 각각의 펄스는 스파이크/안정기 의자 펄스 형태라고 묘사되고 도 1b에 개념적으로 도시된 바람직한 펄스 형태를 갖는다. 도 1b에서, 펄스 형태는 피크 파워 H3, 상승 시간 RT3와 폭 FWHM T3를 갖는 초기 스파이크 및 피크 파워 H4와 하강 시간 FT4를 갖는 평평한 안정기의 두 영역으로 구성된다. 10% 피크 파워에서 총 펄스 길이는 T4이다. 도 3의 종래의 펄스 형태를 갖는 펄스들의 버스트를 사용하여 ZnO 박막에 스크라이빙된 라인은 도 5a에 도시된 바와 같이 ZnO 스크라이빙의 모서리와 유리 기판에 현저한 미세 균열을 나타내는데 비해서, 도 1b의 의자 펄스 형태를 갖는 펄스들의 버스트를 사용하여 스크라이빙된 라인은 도 5c에 도시된 바와 같이 유리 기판과 ZnO의 스크라이빙된 영역의 모서리에 미세 균열을 나타내지 않는다. 또한, 사각 펄스 형태와 관련하여 앞서 설명한 것과 유사하게, 스크라이빙된 라인이 넓어지기 때문에 스크라이빙 공정의 효율이 증가된다. 또한, 도 1b의 의자 형태 펄스에 있어서는, 스크라이빙 공정에서 발생하는 ZnO 잔여물과 잔해가 도 3의 종래의 펄스 형태가 사용될 때 관찰되는 것과 비교해서 현저히 감소된다. 도 1b의 펄스 형태를 갖는 본 발명의 일 실시예에 의한 레이저 펄스들의 버스트를 사용하여 두께 6mm인 유리 기판 상의 두께 450mm인 ZnO 박막 층에 폭이 54마이크론인 라인을 스크라이빙하기 위한 구체적인 파라미터들은 1064nm의 레이저 파장, 135마이크로주울의 펄스 에너지, 36,000 펄스/초의 반복률, 50마이크론의 스폿 크기, 50ns의 펄스 길이 T4, 1ns의 상승 시간 RT3, 1ns의 하강 시간 FT3, 10ns의 스파이크 펄스 길이 T3, 3:1의 파워 비 H3/H4, 및 다양한 스폿 중첩 값(10%, 25% 및 50% 중첩을 포함)이다. 1m/sec보다 높은 스크라이빙 속도가 달성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 의한 이러한 구체적인 파라미터들은 상기 값들로 한정되지 않는다. 일 실시예에서, 펄스 길이 T4는 1ns와 200ns 사이가 될 것이고, 스파이크의 펄스 길이 T3는 0.3ns보다 크고 T4의 30%보다 작을 것이다. 상승 시간 RT3는 0.1ns보다 크고 T3의 30%보다 작으며, H4에 대한 H3의 비(H3/H4)는 1.5보다 크지만 10보다는 작을 것이다. 스폿 중첩은 10%와 95% 사이가 될 것이다.
다른 값의 스폿 크기와 스크라이빙 속도를 사용하여 유사한 향상을 성취할 수 있다. 예컨대, 다양한 스폿 중첩 값(10%, 25%, 및 50% 중첩을 포함)으로, 25마이크론 스폿 크기로 포커싱된 72,000펄스/초로 동작하는 34마이크로주울의 펄스 에너지를 갖는 레이저를 사용할 때 ZnO 스크라이빙의 품질에 있어서의 유사한 향상이 관찰되었다. 마찬가지로, 다양한 스폿 중첩 값(10%, 25%, 및 50%를 포함)으로, 10마이크론 스폿으로 포커싱된 260,000펄스/초로 동작하는 4마이크로주울의 펄스 에너지를 갖는 레이저를 사용할 때 ZnO 스크라이빙의 품질에 있어서의 유사한 향상이 관찰되었다. 모든 경우에, 본 명세서에 개시된 의자 형태의 펄스의 사용은 상기한 스크라이빙 품질의 향상을 가져온다.
도 1에 도시된 바와 같이, 박막 스크라이빙 공정의 품질에 일정한 향상을 제공하는 의자 펄스 형태의 다른 변형들이 존재한다. 예컨대, 도 1c에 도시된 것과 같이 드룹을 갖는 스파이크/안정기 형태의 펄스는 H6-H7이 H6의 50%보다 작기만 하면 현저한 혜택을 제공할 것으로 예상된다. 도 1d에 도시된 것과 같이 안정기의 중간에 스파이크를 갖는 펄스 형태 또는 도 1e에 도시된 것과 같이 안정기로부터 시간 T12만큼 떨어진 스파이크를 갖는 펄스 형태를 사용하는 것도 가능할 것이다. 일 실시예에서는 유리 기판 상의 ZnO 박막에 라인을 스크라이빙할 때 5ns보다 작은 값의 T12가 사용된다. 본원에 개시된 실시예들이, ZnO 박막의 라인 스크라이빙을 최적화하고 이로써 종래의 펄스 형태를 갖는 레이저를 사용해서는 얻어질 수 없는 공정의 품질과 수율의 향상을 도모하기 위하여 레이저 펄스들의 버스트에 바람직한 펄스 형태를 형성하는 모든 가능성을 망라하는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들의 적용 범위는 ZnO 박막 또는 TCO 박막으로 제한되지 않는다. 본 발명에 개시된 실시예들에 의한 바람직한 펄스 형태의 사용은 많은 물질의 박막을 스크라이빙함에 있어 이점을 갖는다. 그리고, 이러한 용도에 있어서 바람직한 펄스 형태의 사용은 스크라이빙될 박막 물질에 적합한, 1064nm가 아닌 파장을 사용할 때 장점을 갖는다. 레이저 파장의 선택은 제거될 물질의 흡수에 의해 부분적으로 결정된다. 1064nm뿐 아니라, 1032nm, 1.3마이크론, 1.5마이크론, 2마이크론 등을 포함하는 다른 다수의 파장의 레이저들이 사용가능하다. 또한, 조화파 발생(harmonic generation)과 같은 비선형 공정을 사용해서 요구되는 다른 파장을 얻는 것도 가능하다; 이 경우, 1064nm에서 동작하는 레이저는 532nm(녹(green)), 354nm(근자외선), 266nm(자외선) 등으로 바뀐 파장을 가질 수 있다. 경우에 따라서 만약 녹색광 또는 자외선과 같은 더 짧은 파장에서 흡수가 높다면, 본원에 개시된 미세 박막의 스크라이빙 공정은 조화파 파장을 사용함으로써 향상될 수 있다.
박막 물질의 기판은 유리로 한정되지 않는다. 또 다른 통상적인 기판 물질은 폴리머 또는 플라스틱이다. 레이저 빔이 기판을 반드시 통과해야 하는, 기판의 이차 표면에서 필름을 스크라이빙하는 경우에, 레이저 파장의 선택은 기판이 당해 파장에 대해 실질적으로 투명한 것으로 제한된다. 그러나, 본 발명에 개시된 실시예들에 의한 바람직한 펄스 형태의 사용은 박막의 이차 표면 스크라이빙으로 한정되지 않는다. 바람직한 펄스 형태의 적용은 기판을 통과하지 않고 박막을 직접 스크라이빙할 때도 균등한 이점을 갖는다.
도 6을 참조하면, 본원에 개시된 종류의 바람직한 펄스 형태를 생성할 수 있는 레이저 시스템이 개시된다. 이 레이저 시스템은 전자 드라이버 53에 의해 전력이 공급되는 발진기 51을 포함하고, 증폭기 52를 포함한다. 펄스형 전자 구동 신호를 공급함으로써 다이오드 레이저와 같은 펄스형 레이저 소스를 간단히 맥동시킬 수 있다. 생성되는 펄스들의 버스트 56 내의 각각의 광 레이저 펄스의 펄스 형태는 전자 드라이버 53에 의해 발진기 51로 보내지는 전자 구동 신호 55의 형태를 선택함으로써 미리 정해질 수 있다. 이러한 펄스형 레이저 발진기로부터 성형된 신호는 다이오드 펌핑 고체 상태 로드(diode-pumped solid state rod) 레이저 또는 파이버 레이저 증폭기와 같은 레이저 증폭기에서, 출력 펄스의 버스트 57 내의 각 펄스의 펄스 형태가 발진기에 의해 공급되는 펄스 형태로부터 실질적으로 변하지 않고 유지되는 방식으로 증폭된다.
발진기 레이저는 반도체 레이저, 파이버 레이저, 다이오드 레이저, 또는 분산된 피드백 다이오드 레이저로 구성될 수 있다. 특정 실시예에서, 펄스형 신호 소스는 1와트(watt)의 피크 펄스 파워, 500KHz(킬로헤르츠)까지 다양한 반복률, 1ns보다 짧은 펄스 상승 시간과 100ns의 펄스 폭을 갖고 1064nm의 파장에서 동작하는 반도체 다이오드 레이저이다. 다른 실시예에서, 펄스형 신호 소스의 피크 광 파워는 1와트보다 낮거나 높을 수 있다. 예컨대, 500밀리와트(mW), 1와트(Watt), 2와트, 3와트, 4와트, 5와트 또는 그 이상일 수 있다. 또한, 펄스 폭은 100나노초보(ns)다 작거나 클 수 있다. 예컨대, 1ns, 2ns, 10ns, 20ns, 50ns, 200ns, 500ns 또는 그 이상일 수 있다. 다른 실시예에서, 광 펄스는 좀 더 복잡할 수 있고 도 1의 의자형 펄스 또는 도 2의 사각 펄스와 같은 바람직하게 성형된 펄스를 포함할 수 있다. 발진기 레이저는 전자 드라이버에 의해, 발진기 레이저 출력 펄스의 형태가 전자 드라이버에 의해 제공되는 전류 펄스의 형태를 모방하도록 구동된다.
발진기 51의 출력은, 예컨대, 파이버 레이저 증폭기 또는 다이오드 펌핑 고체 상태 로드 레이저 증폭기로 구성되는 레이저 증폭기 모듈 52에 의해 증폭된다. 본 발명의 일 실시예에서, 증폭기는 광 증폭기이고, 광 연결기(optical coupler)를 통해 희토류(rare-earth)가 도핑된 파이버 루프(loop)에 연결된 펌프를 포함한다. 광 증폭기의 펌핑이 다른 수단에 의해 가능하다는 점은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하지만, 일반적으로 반도체 펌프 레이저가 펌프로서 사용된다. 특정 실시예에서, 광 증폭기는 코어 직경이 약 4.8마이크론인 5미터 길이의 희토류가 도핑된 파이버를 포함하고, 약 6×1024이온/m3의 도핑 농도로 이테르븀(Ytterbium)으로 도핑된다. 증폭기는 또한, 976nm의 파장에서 동작하는 안정화된 FBG(FBG-stabilized) 반도체 레이저 다이오드이고 500mW의 출력 파워를 갖는 레이저 펌프를 포함한다. 다른 특정 실시예에서, 광 증폭기 160은 코어 직경이 약 10마이크론인 2미터 길이의 희토류가 도핑된 파이버를 포함하고, 약 1×1026이온/m3의 도핑 농도로 이테르븀으로 도핑된다. 상기 증폭기는 또한 출력 전력이 5W인 반도체 레이저 다이오드인 펌프를 포함할 수 있다.
상기 예는 이테르븀이 도핑된 파이버 증폭기와 1064nm의 레이저 파장에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 실시예에서는 1064nm 또는 다른 파장에서 동작하는 다이오드 레이저, 고체 상태 레이저 및 도핑된 파이버의 다른 예들이 사용될 수 있다. 이들은, 예컨대, 1550nm 파장 영역에서의 에르븀(erbium)이 도핑된 파이버와 2 내지 3마이크론 파장 영역에서의 툴륨(thulium)이 도핑된 파이버를 포함한다. 다른 실시예에서는, 응용 분야에 적합하도록 광 순환기 120의 하류에 다수의 광 증폭기가 이용된다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 바람직한 펄스 형태의 펄스들의 버스트를 생성하는 펄스형 레이저 소스가 제공된다. 펄스형 레이저 소스는 시드 신호를 생성하는 시드 소스(seed source) 110과, 상기 시드 소스에 연결된 제1 포트 114, 제2 포트 122 및 제3 포트 116을 포함하는 광 순환기 120을 포함한다. 상기 펄스형 레이저 소스는 또한, 상기 광 순환기의 제2 포트 122에 연결된 제1측 132와 제2측 134를 특징으로 하는 진폭 변조기 130을 포함한다. 상기 펄스형 레이저 소스는 입력단 136과 반사단 146을 포함하는 제1 광 증폭기 150을 더 포함한다. 상기 입력단은 상기 진폭 변조기의 제2측 134에 연결된다. 또한, 상기 펄스형 레이저 소스는 상기 광 순환기의 제3 포트 116에 연결된 제2 광 증폭기 160을 포함한다. 도 7은 광 순환기의 제3 포트에 연결된 하나의 광 증폭기 160의 사용을 도시하지만, 본 발명의 다른 실시예들이 이를 요구하는 것은 아니다. 다른 실시예에서는, 광 순환기의 하류에서 특정 응용 분야에 적합하도록 다수의 광 증폭기가 사용된다. 본 발명의 실시예들에 관한 추가적인 설명은, 2008년 9월 27일 발행된 "성형된 광 파형을 갖는 펄스형 레이저 소스를 위한 방법 및 시스템"이라는 명칭의 미합중국 특허 제7,428,253호의 부분계속출원인, 2008년 9월 12일 출원되고 본 출원인에게 양수된 "성형된 광 파형을 방출하는 펄스형 레이저 소스를 위한 방법 및 시스템"이라는 명칭의 미합중국 특허출원 제12/210,028호에 개시되어 있으며, 상기 출원 및 특허는 각각 부록 A와 B에 포함되고 그 내용 전체가 모든 목적으로 참조에 의하여 본 명세서에 편입된다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서, 바람직한 펄스 형태의 펄스들의 버스트를 생성하는 펄스형 레이저 소스가 제공된다. 상기 펄스형 레이저 소스는 안정화 광 복사 216을 생성하는 안정화 소스 210, 및 상기 안정화 소스에 연결된 제1 포트 214, 제2 포트 216, 및 제3 포트 218을 포함하는 광 순환기 220을 포함한다. 상기 펄스형 레이저 소스는 또한 원하는 형태의 신호 펄스를 생성하는 신호 소스 230을 포함하고, 상기 신호 소스는 상기 광 순환기의 제2 포트 216에 연결된다. 상기 펄스형 레이저 소스는 상기 광 순환기의 제3 포트에 연결된 광 증폭기 260을 더 포함한다. 본 발명의 실시예들에 관한 추가적인 설명은 출원인에게 양수된 미합중국 임시특허출원 제61/186,317호에 개시되어 있으며, 이 출원은 부록 C에 포함되고 그 전체가 모든 목적으로 참조에 의하여 본 명세서에 편입된다.
본 발명의 특정 실시예에 의하면, 도 9는 바람직한 펄스 형태를 갖는 펄스들의 버스트를 생성하는 레이저를 사용하여 박막 물질 작업물 304에 라인을 스크라이빙할 수 있는 예시적인 레이저 가공 시스템을 도시한다. 상기 시스템은 레이저 소스 300, 파장 변환기 301, 광학계 302, 제어기 305, 및 작업물 홀더 303의 상부에 위치되는 작업물 304를 포함한다. 상기 레이저 소스 300은 파장, 펄스 길이, 펄스 형태, 및 펄스 반복률과 같은 일정한 특성을 갖는 레이저 펄스를 제공한다. 파장은 상기 제어기에 의해 선택될 수 있다. 파장은 또한 상기 파장 변환기에 의해 조정될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라서, 바람직한 펄스 형태를 갖는 펄스들의 버스트를 사용하여 박막 물질 작업물에 라인을 스크라이빙하기 위해 파장 길이 및 파장 형태가 조정될 수 있다.
레이저 소스 300에 의해 생성되는 파장은 파장 변환기 301에 의해, 2차, 3차, 또는 4차 조화파 파장과 같은, 기본 파장의 조화파로 변환될 수 있다. 일부 시스템들은 서로 다른 레이저들을 사용하지만, 잘 알려진 비선형 결정에서의 조화파 발생 공정을 사용하여 하나의 레이저로부터 서로 다른 파장을 얻는 것도 가능하다. 예컨대, 비선형 결정에서의 조화파 3배가(tripling)를 사용함으로써 1.06㎛의 파장을 갖는 자외선 레이저로부터 약 353nm의 파장을 갖는 자외광이 얻어질 수 있다. 상기 파장 변환기는, 검류계(galvanometer)에 실장된 거울과 같은, 빔 안내 디바이스를 포함할 수 있다. 이 거울은, 빔의 스폿 크기를 조정하는데 사용될 수 있는 파장 변환기 302를 우회하도록 레이저 소스로부터의 레이저 빔의 경로를 빠르게 변경할 수 있다. 상기 광학계는 레이저 빔을 작업물에 포커싱하기 위한 렌즈들과 거울들, 및 빔을 작업물 상의 다양한 위치로 안내하는 부품을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 빔을 안내하는 상기 부품은 검류계에 실장된 거울일 수 있다. 상기 제어기는 상기 광학계와 상기 빔을 안내하는 부품의 동작을 제어하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 박막 작업물 304에 라인을 스크라이빙할 때, 광학계 302는 상기 작업물의 표면을 따라서 한 줄로 빔을 주사하도록 상기 제어기에 의해 제어될 수 있고, 이로써 각각의 포커싱된 레이저 스폿은 중첩되도록 이전의 포커싱된 레이저 스폿에 인접하는 위치를 향한다. 다른 실시예에서, 광학계는 레이저 빔을 작업물의 표면에 포커싱하고 작업물 홀더가 한 줄로 작업물을 이동시키도록 제어기에 의해 제어될 수 있고, 이로써 레이저 펄스들의 버스트 내의 각각의 포커싱된 레이저 펄스가 이전의 포커싱된 레이저 펄스에 인접하고, 스폿이 일부 중첩되는 위치에 도달한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 바람직한 펄스 형태를 갖는 펄스들의 버스트를 사용하여 박막 물질에 패턴을 스크라이빙하는 방법을 도시하는 흐름도이다. 일 실시예에서 상기 패턴은 직선일 수 있고, 다른 실시예에서는 곡선일 수 있다. 단계 1005에서, 바람직한 레이저 펄스 시간적 펄스 형태가 선택된다. 단계 1010에서, 각각이 바람직한 레이저 펄스 시간적 펄스 형태를 갖는 일련의 레이저 펄스들이 제공된다. 단계 1015에서, 박막 물질에 제1 레이저 펄스의 스폿이 위치된다. 단계 1020에서, 이어지는 펄스들의 각각의 레이저 스폿이 직선 또는 곡선일 수 있는 박막 상의 패턴을 따라서 위치되고, 각 스폿은 그 이전 펄스의 스폿에 인접하며 스폿 영역들은 일부 중첩된다.
본 발명은 특정 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 다른 실시예들도 본 발명의 영역과 사상의 범위 내에 포함된다는 점이 인식되어야 한다. 본 발명의 범위는, 따라서, 첨부된 청구범위와 그 모든 등가물을 참조로 결정되어야 한다.

Claims (27)

  1. 기판 상에 퇴적된 박막 물질에 패턴을 스크라이빙하는 레이저 가공 방법에 있어서,
    상기 박막에 스크라이빙된 패턴에서 상기 기판 내에 관찰가능한 균열이 형성되지 않도록 상기 기판 상의 상기 박막 물질에 패턴을 스크라이빙할 수 있는, 레이저 펄스의 바람직한 시간적 파워 형태를 선택하는 단계;
    제1 펄스 및 이어지는 9개 이상의 펄스들을 갖는 일련의 레이저 펄스들 - 상기 일련의 레이저 펄스들의 각각은, 상기 바람직한 시간적 파워 형태를 갖고, 레이저 스폿 영역을 갖는 레이저 스폿을 가짐 - 을 제공하는 단계;
    상기 박막 물질 상의 스폿 위치에 상기 제1 펄스의 레이저 스폿을 위치시키는 단계; 및
    각각의 스폿 위치가 이전 펄스의 레이저 스폿의 스폿 위치에 인접하도록, 그리고, 각각의 스폿의 영역이 그 이전의 각각의 스폿의 영역과 일정한 양만큼 중첩되어 스폿 위치의 중첩이 일어나도록, 상기 박막 상의 패턴을 따라 놓인 스폿 위치에 상기 일련의 펄스들에 포함된 상기 이어지는 펄스들의 각각의 레이저 스폿을 위치시키는 단계
    를 포함하는 레이저 가공 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패턴은 라인(line)인 레이저 가공 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 패턴은 곡선인 레이저 가공 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 바람직한 시간적 파워 형태는 사각 펄스인 레이저 가공 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 바람직한 시간적 파워 형태는 스파이크/안정기 의자(chair) 형태인 레이저 가공 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 바람직한 시간적 파워 형태는 드룹(droop)을 갖는 사각 펄스인 레이저 가공 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    두 개의 인접하는 스폿들의 영역은 10% 이상 95% 이하 중첩하는 레이저 가공 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 스폿 영역이 0.0000001cm2보다 크고 0.0001cm2보다 작은 레이저 가공 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 박막 물질은 산화 아연인 레이저 가공 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 박막 물질은 투명 도전 산화물인 레이저 가공 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 박막 물질은, 비정질(amorphous) 실리콘, 카드뮴 텔루라이드(cadmium telluride), 구리 인듐 디셀레나이드(copper indium diselenide), 구리 인듐 갈륨 디셀레나이드(copper indium gallium diselenide), 및 몰리브덴(molybdenum)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 레이저 가공 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 바람직한 시간적 파워 형태는, 펄스 길이 FWHM이 1ns보다 크고 200ns보다 작은 펄스를 포함하는 레이저 가공 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 바람직한 시간적 파워 형태는, 상승 에지의 상승 시간이 상기 펄스 길이의 10%보다 작아지도록, 상승 에지의 상승 시간과 하강 에지의 하강 시간을 갖는 레이저 가공 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 바람직한 시간적 파워 형태는, 하강 에지의 하강 시간이 상기 펄스 길이의 30%보다 작은 레이저 가공 방법.
  15. 기판 상에 퇴적된 박막 물질에 패턴을 스크라이빙하는 레이저 가공 방법에 있어서,
    상기 박막에 스크라이빙된 패턴에서, 상기 기판 내에 또는 상기 박막 물질의 모서리에 관찰가능한 균열이 형성되지 않도록 상기 기판 상의 상기 박막 물질에 패턴을 스크라이빙할 수 있는, 레이저 펄스의 바람직한 시간적 파워 형태를 선택하는 단계;
    제1 펄스 및 이어지는 9개 이상의 펄스들을 갖는 일련의 레이저 펄스들 - 상기 일련의 레이저 펄스들의 각각은, 상기 바람직한 시간적 파워 형태를 갖고, 레이저 스폿 영역을 갖는 레이저 스폿을 가짐 - 을 제공하는 단계;
    상기 박막 물질 상의 스폿 위치에 상기 제1 펄스의 레이저 스폿을 위치시키는 단계; 및
    각각의 스폿 위치가 이전 펄스의 레이저 스폿의 스폿 위치에 인접하도록, 그리고, 각각의 스폿의 영역이 그 이전의 각각의 스폿의 영역과 일정한 양만큼 중첩되어 스폿 위치의 중첩이 일어나도록, 상기 박막 상의 패턴을 따라 놓인 스폿 위치에 상기 일련의 펄스들의 상기 이어지는 펄스들의 각각의 레이저 스폿을 위치시키는 단계
    를 포함하는 레이저 가공 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 패턴은 라인(line)인 레이저 가공 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 패턴은 곡선인 레이저 가공 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    이전 펄스의 레이저 스폿 영역과 이어지는 펄스의 레이저 스폿 영역의 스폿 중첩의 양은 10% 이상 95% 이하인 레이저 가공 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 레이저 스폿 영역이 0.0000001cm2보다 크고 0.0001cm2보다 작은 레이저 가공 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 박막 물질은 산화 아연인 레이저 가공 방법.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 박막 물질은 투명 도전 산화물인 레이저 가공 방법.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 박막 물질은, 비정질(amorphous) 실리콘, 카드뮴 텔루라이드(cadmium telluride), 구리 인듐 디셀레나이드(copper indium diselenide), 구리 인듐 갈륨 디셀레나이드(copper indium gallium diselenide), 및 몰리브덴(molybdenum) 가운데서 선택되는 레이저 가공 방법.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 바람직한 시간적 파워 형태는, 펄스 길이 FWHM이 1ns보다 크고 200ns보다 작은 펄스를 포함하는 레이저 가공 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 바람직한 시간적 파워 형태는 상승 에지, 하강 에지 및 평균 파워를 갖고, 또한, 상기 펄스 길이보다 실질적으로 더 짧은 스파이크 지속 시간을 갖는 파워 스파이크 및 상기 레이저 펄스의 상기 평균 파워보다 더 큰 피크 파워를 갖는 레이저 가공 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 바람직한 시간적 파워 형태는, 길이 FWHM이 0.3ns보다 크고 상기 펄스 길이의 30%보다 작은 파워 스파이크를 갖는 레이저 가공 방법.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 바람직한 시간적 파워 형태는, 상승 시간이 0.1ns보다 크고 상기 파워 스파이크 길이 FWHM의 30%보다 작은 파워 스파이크를 갖는 레이저 가공 방법.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 상기 평균 파워에 대한 상기 파워 스파이크의 상기 피크 파워의 비는 1.5보다 큰 레이저 가공 방법.
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