KR20180131667A - 고체 레이저 결정화 장치 - Google Patents

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히로시 오쿠무라
강윤호
강미재
권민성
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삼성디스플레이 주식회사
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Abstract

본 발명은 복수의 레이저 빔을 생성하는 복수의 고체 레이저 광원, 레이저 빔을 전달하는 광원계, 복수의 레이저 빔이 조사되는 기판을 거치하는 기판 스테이지를 포함하는 고체 레이저 결정화 장치에 대한 것이다.

Description

고체 레이저 결정화 장치 {The Solid-state Laser Annealing Apparatus}
본 발명은 결정화 레이저 장치에 대한 것으로 비정질 실리콘층을 결정화하는 고체 결정화 레이저 장치 및 결정화 레이저 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 유기발광 표시 장치 또는 액정 표시 장치 등은 각 화소의 발광 여부나 발광 정도를 박막트랜지스터를 이용해 제어한다. 그러한 박막트랜지스터는 반도체층, 게이트전극 및 소스/드레인전극 등을 포함하는데, 반도체층으로는 비정질 실리콘을 결정화한 폴리실리콘이 주로 사용된다.
이와 같은 박막트랜지스터를 구비하는 박막트랜지스터 기판이나 이를 이용한 디스플레이 장치의 제조공정을 설명하면, 기판에 비정질 실리콘층(a-Si)을 형성하고 이를 폴리실리콘(P-Si)으로 결정화하는 과정을 거쳐, 박막트랜지스터 기판이나 이를 포함하는 디스플레이 장치를 제조하였다. 비정질 실리콘을 폴리실리콘으로 결정하는 방법으로 비정질 실리콘에 레이저 빔을 조사하는 방법이 사용된다.
본 발명은 고체 레이저를 이용하여 균일한 결정화 특성을 갖는 레이저 결정화 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 레이저 결정화 장치는 제1 내지 제3 레이저 빔을 생성하는 제1 내지 제3 레이저 광원, 제1 내지 제3 레이저 빔을 전달하는 광원계, 제1 내지 제3 레이저 빔이 조사되는 기판을 거치하는 기판 스테이지를 포함하고, 제1 내지 제3 레이저 광원은 고체 레이저 매질을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 레이저 결정화 장치의 고체 레이저 매질은 Cr:Al2O3, Nd:YAG, Yb:YAG, Nd:YVO4 및 Nd:YLiF4 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 레이저 결정화 장치의 광원계는 제1 내지 제3 레이저 빔을 상기 기판 스테이지에 조사하고, 기판 스테이지는 수평 방향으로 이동 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 레이저 결정화 장치의 제2 레이저 빔의 출력 파워는 제1 레이저 빔의 출력 파워보다 낮다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 레이저 결정화 장치의 제3 레이저 빔의 출력 파워는 제1 레이저 빔의 출력 파워보다 낮다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 레이저 결정화 장치의 제2 레이저 빔의 출력 파워는 제1 레이저 빔의 출력 파워의 10% 내지 70% 범위이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 레이저 결정화 장치의 제3 레이저 빔의 출력 파워는 제1 레이저 빔의 출력 파워의 70% 내지 180% 범위이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 레이저 결정화 장치의 제3 레이저 빔의 출력 파워는 상기 제1 레이저 빔의 출력 파워의 70% 이상이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 레이저 결정화 장치의 제1 내지 제3 레이저 빔 중 적어도 2 이상의 레이저 빔은 기판 스테이지 상의 기판 거치 위치에서 중첩한다.
비정질 실리콘 박막을 레이저로 결정화하는 방법은 제1 고체 레이저 빔을 기판의 비정실 실리콘 박막의 제1 위치에 조사하는 단계, 제1 고체 레이저 빔의 조사 시점으로부터 일정 시간 후에 제2 고체 레이저 빔을 제1 위치에 조사하는 단계, 제2 레이저 빔의 조사 시점으로부터 일정 시간 후에 제3 고체 레이저 빔을 기판의 제1 위치에 조사하는 단계를 포함한다.
비정질 실리콘 박막을 레이저로 결정화하는 방법에서 제2 고체 레이저 빔의 출력 파워는 제1 고체 레이저 빔 및 제3 고체 레이저 빔의 출력 파워보다 작다.
비정질 실리콘 박막을 레이저로 결정화하는 방법에서 제3 고체 레이저 빔의 출력 파워는 상기 제1 고체 레이저 빔보다 작다.
비정질 실리콘 박막을 레이저로 결정화하는 방법에서 제2 고체 레이저 빔의 출력 파워는 제1 고체 레이저 빔의 출력 파워의 10% 내지 70% 범위이다.
비정질 실리콘 박막을 레이저로 결정화하는 방법에서 제2 고체 레이저 빔은 제1 고체 레이저 빔에 의해 비정질 실리콘 박막의 용융 상태가 유지되는 동안에 조사된다.
비정질 실리콘 박막을 레이저로 결정화하는 방법에서 제3 고체 레이저 빔의 출력 파워는 제1 고체 레이저 빔의 출력 파워의 70% 내지 180% 범위이다.
비정질 실리콘 박막을 레이저로 결정화하는 방법에서 제3 고체 레이저 빔의 출력 파워는 제1 고체 레이저 펄스의 출력 파워와 같다.
비정질 실리콘 박막을 레이저로 결정화하는 방법에서 제1 내지 제3 레이저 빔 중 적어도 어느 하나는 다른 레이저 빔들의 주파수와 다르다.
비정질 실리콘 박막을 레이저로 결정화하는 방법은 제1 내지 제3 레이저 빔 중 어느 하나의 레이저 빔의 출력 시점으로부터 레이저 빔의 반치전폭(FWHM)보다 작은 시간 내에 제4 고체 레이저 빔을 출력하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 고체 레이저 광원을 사용하여 비정질 실리콘 박막을 결정화하여 균일한 결정질 박막을 형성하는 고체 레이저 결정화 장치를 제공한다.
도 1은 레이저 결정화 장치의 개념도이다.
도 2는 가스를 매질을 사용하는 레이저 광원의 모식도이다.
도 3은 엑시머 레이저 장치에 의해 결정화된 박막의 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 고체 매질을 사용한 레이저 광원의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고체 레이저 결정화 장치의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고체 레이저 광원의 모식도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 기판에 조사되는 레이저 빔 출력 프로파일이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 결정화된 박막의 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 결정화 레이저 장치이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
공간적으로 상대적인 용어인 “아래(below)”, “아래(beneath)”, “하부(lower)”, “위(above)”, “상부(upper)” 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 “아래(below)”또는 “아래(beneath)”로 기술된 소자는 다른 소자의 “위(above)”에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 “아래”는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 그에 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 제1, 제2, 제3 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않고, 제1 구성 요소가 제2 또는 제3 구성 요소 등으로 명명될 수 있으며, 유사하게 제2 또는 제3 구성 요소도 교호적으로 명명될 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1은 레이저 결정화 장치의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 레이저 결정화 장치는, 레이저 빔(L)을 발생시키는 레이저 광원(10)와, 레이저 빔(L)을 광변환하여 변환하여 출력하는 광학계(20)와, 변환된 레이저 빔(L)이 조사되어 레이저 결정화되는 박막이 형성된 기판(S)이 탑재되는 기판 스테이지(32)를 포함하는 챔버(30) 를 포함한다.
레이저 광원(10)에서 발생되는 레이저 빔(L)은 P편광 및 S편광을 포함할 수 있으며, 박막의 상 변이를 유도하는 엑시머 레이저 빔 등으로서, 광학계(20)에서 광변환되어 기판(S) 상면에 형성된 박막을 결정화시킨다. 박막은 비정질 실리콘층일 수 있으며, 이는 저압화학 증착법, 상압화학 증착법, PECVD법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링법, 진공증착법(vacuum evaporation) 등의 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 레이저 빔(L)은 병렬로 배열된 형태로 나란히 진행되는 복수의 라인 빔 형태일 수 있다.
광학계(20)는 레이저 빔(L)의 경로를 변화시키는 복수 개의 렌즈(미도시) 및 미러를 포함하고, 레이저 빔(L)을 광변환한다. 도시되지는 않았으나, 광학계(20)는 레이저 광원(10)으로부터 입사된 레이저 빔(L)의 편광축 방향을 변환시키는 적어도 하나의 반파장판(Half Wave Plate; HWP)을 포함할 수 있으며, 레이저 빔(L)을 전부 반사시키는 적어도 하나의 미러를 포함할 수 있다. 또는, 레이저 빔(L)의 일부는 반사시키고 일부는 투과시키는 적어도 하나의 편광빔 스플리터(Polarization Beam Splitter; PBS)를 더 포함할 수도 있다.
챔버(30)는 공정의 특성, 사용자의 용도 등에 따라, 질소(N2), 공기(air), 및 혼합 가스 등의 분위기가 다를 수 있으며, 감압, 가압을 하거나 진공 상태인 등으로 압력이 다를 수 있다. 따라서, 챔버(30)는 개방형(open type)이 아닌, 외부 공기와 격리될 수 있는 밀폐형(closed type)이다.
챔버(30) 내에는 변환된 레이저 빔(L)이 조사되어 결정화되는 박막이 형성된 기판(S)이 탑재되는 기판 스테이지(32)를 포함한다. 기판 스테이지(32)는 수평 방향으로 이동하면서, 레이저 빔(L)이 기판(S)의 전체 영역에 조사될 수 있도록 한다.
도 2는 가스를 매질을 사용하는 레이저 광원의 모식도이다.
도 2를 참조하면, 레이저 광원(10)은 가스 튜브(11) 및 가스 튜브(11)의 양단에 위치하는 공진기(13)로 구성된다. 레이저는 가스 원자(또는 분자)의 내부에서 원자핵의 주위를 돌고 있는 전자의 에너지 준위가 들뜬 상태로 변이되고 다시 낮아질 때 발생하는 빛을 반복적으로 증폭하여 생성된다.
가스 튜브(11)는 레이저 빔(L)의 파장을 결정하는 가스 분자를 밀봉한 구조체이다. 가스 튜브(11)는 장방향으로 연장된 튜브관 구조이며, 양 단부는 광의 입출력이 가능한 투명한 윈도우(12)와 연결된다. 가스 튜브(11)에 밀봉된 가스 분자는 레이저 매질의 한 종류로서 가스 분자의 종류에 따라 발생되는 레이저 빔(L)의 파장이 결정된다. 가스 튜브(11)에 가장 많이 사용되는 가스로는 이산화탄소(CO2) 및 엑시머(ArF, KrF, XeCl)가 있다. 이산화탄소 레이저는 주로 CO2가스와 질소(N2), 헬륨(He)의 혼합 가스의 형태로 사용된다. 이산화탄소 레이저의 출력 파장은 10.6㎛의 파장을 가지며, 수분에 강력하게 흡수되어 열을 발생시키는 특성이 좋아, 절단 및 파괴 용도로 사용된다. 엑시머 레이저는 레이저 가스에 희가스 및 할로겐 등의 혼합 가스를 이용하는 레이저로, 대표적인 예로 ArF 엑시머 레이저(파장 193nm), KrF 엑시머 레이저(파장 248nm), XeCl 엑시머 레이저(파장 308nm), XeF 엑시머 레이저(파장 351nm) 등이 있다. 엑시머 레이저는 파장이 짧고, 최고 에너지가 높아 반도체 박막의 표면 처리, 가공 등에 사용된다.
공진기(13)는 가스 튜브(11)의 양 단부에서 서로 마주 보며 배치된 한 쌍의 광반사 미러로 구성된다. 공진기(13)는 가스 튜브(11)에서 발생된 광을 공진하여 출력을 높이는 역할을 한다. 공진기(13)는 전반사 거울 및 부분 반사 거울로 구성된다. 가스 튜브(11)에서 출력된 광은 공진기(13)의 거울에서 반사되어 다시 가스 튜브(11)로 인입되고, 공진기(13)의 한 쌍의 거울 사이를 왕복하는 시간이 레이저의 진동 주기의 정수배가 되는 발진 조건이 충족되면 레이저 발진이 일어난다. 발생된 레이저 빔(L)은 공진기(13)의 부분 반사 거울을 통해 레이저 광원 장치로부터 출력된다.
가스 레이저는 출력되는 레이저 빔(L)의 출력이 높아, 가스의 교환 빈도가 빈번하고, 가스 튜브의 윈도우(12) 오염으로 인해 주기적인 교체를 필요로 한다.
도 3은 엑시머 레이저 장치에 의해 결정화된 박막의 도면이다.
도 3을 참조하면, 비정질 실리콘 박막은 엑시머 레이저 광원에 의해 용융되고 고체화되는 과정을 거쳐 사각형의 그레인을 포함하는 폴리 실리콘 박막으로 결정화된다. 그레인의 크기 및 형상에 따라 결정화된 박막의 전자 이동도 및 위치에 따른 이동도의 편차가 달라진다. 폴리 실리콘 박막은 그레인의 각 변이 300㎚ 이상이고, 사각형을 갖는 그레인들이 일정하게 반복될 때, 전자 이동도 및 균일성에서 우수한 특성을 갖는다.
도 4a 내지 도 4c는 고체 레이저 매질을 사용한 레이저 광원의 모식도이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 고체 레이저 광원(100)는 고체 레이저 매질(110), 공진기(120), Q스위치(130), 파장 변경 소자(140), 광 여기장치(150)로 구성된다.
공진기(120)는 서로 마주보는 한 쌍의 평행한 광반사 미러(121, 122)로 구성된다. 공진기(120)은 레이저 매질로부터 출력된 광을 반사하여 레이저 발진을 유도하는 것으로, 공진기(120)의 기능은 가스 레이저 광원과 고체 레이저 광원에서 동일하다.
공진기(120)의 광반사 미러쌍(121, 122)의 사이에는 고체 레이저 매질(110), Q 스위치(130), 파장 변경 소자(140)가 배치된다. 레이저 빔(L)은 공진기(120)의 부분 반사 기능을 갖는 광반사 미러(122)를 통해 외부로 출력된다.
고체 레이저 매질(110)은 활성원자(또는 분자)가 균일하게 분포되어 있는 물질로 구성되고, 장방향으로 연장된 구조를 갖는다. 고체 레이저 매질(110)은 루비(Cr:Al2O3), 네오디뮴 야그(Nd:YAG), 이터비움 야그(Yb:YAG), 네오디뮴 이트륨(Nd:YVO4), 네오디뮴 이트륨 리튬 플로라이드(Nd: YLiF4) 등이 사용되며, 각 매질의 재료에 따라 출력되는 레이저 빔(L)의 파장이 결정된다. 루비(Cr:Al2O3) 레이저 매질은 Al2O3 결정 중의 Al3+의 일부가 활성 이온으로서의 Cr3+로 대치된 것으로서 발진 파장은 693nm이다. 네오디뮴 야그(Nd:YAG) 레이저 매질은 YAG 결정을 제조하면서 소량의 네오디뮴(Nd)을 도핑하여 형성되며 발진 파장은 1063nm이다. 이터비움 야그(Yb:YAG) 레이저 매질의 발진 파장은 1030nm 이고, 네오디뮴 이트륨(Nd:YVO4)은 1065nm, 네오디뮴 이트륨 리튬 플로라이드(Nd: YLiF4)는 1053nm 의 레이저 발진 파장을 갖는다.
Q 스위치(130)는 공진기(120)의 공진 순간을 제어하여 레이저 광원(100)의 출력을 제어하는 스위치 소자이다. Q 스위치(130)는 고체 레이저 매질(110)과 공진기(120)의 반사 거울(121, 122)의 사이에 위치한다. Q 스위치(130)는 레이저의 발진을 지연시켜 고밀도의 레이저 발진을 유도하며, 출력되는 레이저 빔(L)은 펄스의 형태를 갖는다.
파장 변경 소자(140)는 레이저 빔(L)의 출력 파장을 변경하는 소자로서 하모닉 제너레이터(Harmonic Generator) 라고도 한다. 파장 변경 소자(140)는 비선형 광학 결정의 복굴절 현상을 이용하여 입사된 광의 파장을 주파수를 배수로 변환하는 소자이다. 일반적으로 리튬 니오베이트(LiNbO3), 리튬 탄탈레이트(LiTaO3), 포타슘 티나닐 포스페이트(KTiOPO4) 등과 같이 복굴절율이 큰 소재가 사용된다.
도 4b는 파장 변경 소자(140)를 적용한 레이저 광원 장치의 구성도이다.
고체 레이저 매질(110)로 네오디뮴 야그(Nd:YAG)를 적용한 경우, 고체 레이저 매질(110)로부터 출력되는 레이저 광은 1064nm의 파장을 갖는다. 파장 변경 소자(140)는 1064nm의 파장을 갖는 레이저 광의 파장을 1/2배 하여 532nm의 파장을 갖는 레이저 빔(L)으로 변환하여 출력한다.
도 4c는 2개의 파장 변경 소자(141, 142)를 적용한 레이저 광원 장치의 구성도이다.
도 4c를 참조하면, 레이저 광원 장치(100)는 고체 레이저 매질(110)과 공진기(120)의 사이에 위치하는 복수의 파장 변경 소자(141, 142)를 포함한다. 고체 레이저 매질(110)에서 1064nm 파장의 레이저 광이 출력되는 경우, 연속하여 배치된 복수의 파장 변경 소자(141,142)는 입력 파장의 1/3 파장인 355nm의 파장을 갖는 레이저 빔(L)을 출력한다.
광 여기장치(150)는 고체 레이저 매질(110)을 구성하는 물질에 따라 결정되는 파장의 여기광(IL)을 생성하여 고체 레이저 매질(110)로 조사한다. 여기광(IL)은 도시된 것과 같이 공진기(120)의 반사 거울(121)을 통과하여 고체 레이저 매질(110)로 인가될 수 있다. 광 여기장치(150)는 플래시 램프 또는 레이저 다이오드로 구성될 수 있다.
고체 레이저 매질(110)의 원자는 여기광(IL)에 의해 내부 에너지가 높은 상태로 여기되며, 다시 에너지 상태가 안정 상태로 낮아지면서 레이저의 초기 광을 출력한다. 도시되지는 않았으나, 광 여기장치(150)는 고체 레이저 매질(110)의 측면부에 배치될 수도 있다. 광 여기장치(150)는 고체 레이저 매질(110)의 측면부에 직접 여기광을 조사 받을 수도 있다. 고체 레이저 광원(100)은 가스 레이저 광원(10)에 비해 소모품의 교체가 필요 없고, 수명이 길어 장시간 공정에서 활용이 가능한 장점이 있다. 그러나, 고체 레이저 매질(110)의 출력 에너지는 가스 레이저 광원보다 낮은 수십 mJ 이하이며, 레이저 빔(L)의 출력 폭은 100㎛ 이하로 좁은 특징이 있다. 레이저 빔(L)의 출력 폭은 펄스의 반치전폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)을 기준으로 표시하며, 출력 펄스의 첨두치(peak)의 1/2 지점의 펄스 폭을 의미한다. 반치전폭(FHWM)은 펄스의 최대 출력의 절반이 되는 구간의 펄스 폭의 차이로 정의된다.
고체 레이저 광원(100)의 레이저 빔(L)을 이용하여 비정질 실리콘을 결정화 할 때, 고체 레이저 광원(100)의 낮은 레이저 빔(L) 출력으로 인해 결정화된 실리콘 박막의 그레인이 불균일한 현상이 발생될 수 있다. 결정화된 박막의 특성이 균일하지 않으면, 박막을 사용하여 형성한 표시 장치의 TFT의 전기적 특성이 균일하지 못해, 결과적으로 표시 장치에 휘도 얼룩이 나타난다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고체 레이저 결정화 장치의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고체 레이저 광원의 모식도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고체 레이저 결정화 장치(1)는 복수의 레이저 광원(100a, 100b, 100c) 및 레이저 광원계(20), 챔버(30)로 구성된다.
제1 내지 제3 레이저 광원(100a, 100b, 100c)은 평행하게 배치되고, 각 레이저 광원으로부터 출력된 레이저 빔(L1, L2, L3)들은 각각 레이저 광원계(20)를 거쳐 기판(S)에 출력된다. 레이저 광원계(20)는 제1 내지 제3 레이저 빔(L1, L2, L3)을 기판(S)의 한 지점에 조사한다. 챔버(30)내에 위치하고 기판(S)이 거치된 기판 스테이지(32)는 화살표와 같이 도면의 좌측으로부터 우측 방향으로 이동할 수 있다. 기판(S)은 기판 스테이지(32) 상에 거치되어, 기판 스테이지(32)와 같이 이동한다. 기판(S)이 이동하는 속도에 연동하여 제1 레이저 빔(L1), 제2 레이저 빔(L2) 및 제3 레이저 빔(L3)이 출력된다. 제1 내지 제3 레이저 광원(100a, 100b, 100c)은 제1 레이저 빔(L1), 제2 레이저 빔(L2) 및 제3 레이저 빔(L3)을 순차적으로 기판(S)에 조사할 수 있다.
도 5에 도시된 광원계(20)은 평행한 복수의 광반사 미러(21a, 21b, 21c) 및 집광 렌즈를 포함한다. 도시되지는 않았지만 광원계(20)는 호모지나이저(미도시), (미도시), 빔스플릿터(미도시) 등을 더 포함할 수도 있다.
도 6을 참조하면, 제1 내지 제3 레이저 광원(100a, 100b, 100c) 중 제2 레이저 광원(100b)으로부터 출력된 제2 레이저 빔(L2)의 출력 파워가 가장 낮다. 각 레이저 광원(100a, 100b, 100c)의 출력 파워는 여기광(IL1, IL2, IL3)의 광량, Q 스위치(130), 고체 레이저 매질(110)의 재료 및 형상 등에 따라 달라진다.
제1 내지 제3 레이저 광원(100a, 100b, 100c)은 서로 동일한 레이저 매질(110)로 구성될 수 있다. 또는 제1 내지 제3 레이저 광원(100a, 100b, 100c)중 어느 하나는 다른 레이저 광원과 다른 레이저 매질로 구성될 수도 있다. 예를 들어 제1 레이저 광원 및 제3 레이저 광원(100a, 100b, 100c)은 네오니뮴 야그(Nd:YAG)를 레이저 매질로 사용하고, 제2 레이저 광원은 루비(Cr:Al2O3)를 레이저 매질로 사용하는 것도 가능하다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 기판에 조사되는 레이저 빔 출력 프로파일이다.
도 7을 참조하면, 레이저 빔 출력 프로파일의 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 레이저 빔(L)의 출력 파워비이다. 각 레이저 빔(L)의 인가 타이밍은 직전에 조사된 레이저 빔(L)과 35ns의 간격을 갖는다. 즉, 제2 레이저 빔(L2)는 제1 레이저 빔(L1)의 조사 시점으로부터 35ns 후에 인가되고, 제3 레이저 빔(L3)은 제2 레이저 빔(L2)의 조사 시점으로부터 35ns 후에 조사된다. 제1 레이저 빔(L1) 내지 제3 레이저 빔(L3) 각각은 15ns의 반치전폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)을 갖는다.
도시된 레이저 빔 출력 프로파일에서 제1 레이저 빔(L1)은 최대 출력 기준으로 출력비 100%로 설정된다. 제1 레이저 빔(L1)의 인가 시점으로부터 35ns 이후에 인가되는 제2 레이저 빔(L2)은 제1 레이저 빔(L1)의 최대 출력 파워의 20%로 출력된다. 제2 레이저 빔(L2)보다 35ns 뒤에 인가되는 제3 레이저 빔(L3)은 제1 레이저 빔(L1)을 기준으로 108%의 최대 출력을 갖는다.
제1 레이저 빔(L1)은 에너지 밀도가 높아 비정질 실리콘 기판(S)의 온도를 높여 기판을 용융 상태로 변환한다. 제2 레이저 빔(L2)은 과도하게 온도가 상승하는 것을 방지하면서 기판(S)의 계면에서 핵 발생을 적절히 유지한다. 제3 레이저 빔(L3)은 높은 에너지로 결정 입자의 성장을 가속하여 결정 입자를 균일하게 형성한다. 레이저 펄스(L2, L3)는 직전에 인가된 레이저 펄스에 의해 실리콘 기판(S)의 계면이 용융된 상태를 유지하는 동안에 인가되어야 한다. 연속하는 레이저 펄스의 인가 시간이 지연되면 기판(S) 계면의 용융 상태가 냉각되면서 결정화가 진행되어 균일하게 결정화가 되지 않을 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 결정화된 박막의 도면이다.
도 8을 참조하면, 제1 내지 제3 레이저 펄스(Pulse 1, Pulse 2, Pulse 3)에 의해 결정화된 폴리 실리콘 박막은 사각형의 그레인들이 일정하게 반복된 형태를 나타낸다.
아래의 표 1은 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 인가 실험표이다.
조건 1 2 3 4 5 6 7
레이저빔 L1 L2 L3 L1 L2 L1 L2 L1 L2 L1 L2 L1 L2 L3 L1 L2 L3 L4
파워비
(%)		 100 20 108 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 20 100 20 50 58
지터
(ns)		 0 35 70 0 0 0 35 0 70 0 105 0 35 70 0 35 70 70
사각
그레인		 ○ Ⅹ Ⅹ ○ Ⅹ Ⅹ ○
그레인
산포		 < 30% - - > 50% - - < 30%
표 1을 참조하면, 기판(S)에 복수의 레이저 빔(L)을 조사할 때, 각 레이저 빔(L)의 출력 파워 및 출력 시간을 조절하여 사각 그레인이 형성되는 조건과 형성된 사각 그레인의 산포를 조절할 수 있다. 표 1의 조건 1, 4 및 7에서만 사각의 그레인이 형성될 수 있다.
아래의 표 2는 표 1의 실험 조건에서 사각의 그레인이 형성된 실험 조건을 선별하여 레이저 빔의 출력 파워비 및 출력 타이밍을 표시한 것이다.
조건 레이저 빔 L1 L2 L3
1) 사각 Grain 출력 파워비(%) 100 0~90 30~200
인가 타이밍(ns) 0 30~40 60~80
2)균일한(<30%)
사각 Grain		 출력 파워비(%) 100 10~70 70~180
인가 타이밍(ns) 0 30~40 60~80
표 2는 그레인의 결정을 사각 형상으로 형성하는 제1 조건과 산포가 30% 미만인 사각 그레인을 형성하는 제2 조건을 나타낸다.
제1 조건은 제1 내지 제3 레이저 빔(L1, L2, L3)이 순차적으로 인가되는 경우를 나타낸다. 제1 조건을 참조하면, 제1 레이저 빔(L1)은 기준 펄스로서 0ns 시간에 출력 파워비 100%로 조사된다. 제2 레이저 빔(L2)은 30 ~ 40ns 시간에 인가되고, 제1 레이저 빔(L1) 대비 0부터 90% 범위의 출력 파워비로 설정된다. 제2 레이저 빔(L2)의 출력 파워가 0인 경우는 제2 레이저 빔(L2)이 인가되지 않은 것과 같다. 제 3 레이저 빔(L3)은 60 ~ 80ns의 시간에 인가되고, 제1 레이저 빔(L1) 대비 30 ~ 200% 범위의 출력 파워비로 설정된다. 제1 조건에 의해 결정화된 폴리 실리콘 기판은 사각형의 그레인 사이즈를 가지나, 사각 그레인의 크기가 균일하게 형성되는 것을 보장하지는 못한다.
제2 조건은 균일한 사각형의 그레인을 형성하는 제1 내지 제3 레이저 빔(L1, L2, L3)의 인가 조건이다. 제2 조건을 참조하면, 제1 레이저 빔(L1)은 기준 펄스로서 0ns 시간에 출력 파워비 100%로 조사된다. 제2 레이저 빔(L2)은 30 ~ 40ns의 시간에 인가되고, 제1 레이저 빔(L1) 대비 10 ~ 70% 범위의 출력 파워비로 설정된다. 제3 레이저 빔(L3)은 60 ~ 80ns의 시간에 인가되고, 제1 레이저 빔(L1) 대비 70 ~ 180% 범위의 출력 파워비로 출력된다. 제2 조건에 따라 결정화된 폴리 실리콘 기판은 사각형의 그레인 사이즈를 가지며, 그레인의 크기 산포는 30% 이하로 균일하게 된다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 결정화 레이저 장치이다.
도 9를 참조하면, 제1 레이저 광원 내지 제4 레이저 광원(100a, 100b, 100c, 100d)으로부터 출력된 레이저 빔(L1, L2, L3, L4)들은 각각 광원계(20)를 거쳐 기판(S)에 출력된다. 제1 레이저 빔(L1) 내지 제4 레이저 빔(L2)은 기판(S)의 동일 지점에 동시에 조사될 수 있다. 여기서 동시라는 의미는 시간적으로 이전 레이저 빔의 출력으로부터 반치전폭(FWHM) 시간 내에 다음 레이저 빔이 출력되는 시간을 포함한다. 복수의 레이저 빔이 동시에 조사되어 결합된 레이저 빔은 하나의 첨두치(Peak)를 가질 수도 있다. 연속하여 인가되는 레이저 빔이 반치전폭(FWHM)보다 큰 시간으로 이격되는 경우 결합된 레이저 빔은 복수의 첨두치(Peak)를 갖는다.
기판(S)은 이동 가능한 기판 스테이지(32)에 고정되어 있어, 기판 스테이지(32)의 이동에 따라 기판(S)의 특정 지점은 제1 레이저 빔(L1) 및 제2 레이저 빔(L2)에 조사된 후에 제3 레이저 빔(L3)에 조사될 수 있다. 고체 레이저 광원의 출력 파워가 낮은 경우 복수의 레이저 광원의 출력 레이저 빔을 기판(S)의 한 지점에 동시에 조사하여 레이저 빔의 출력 파워를 증가 시킬 수 있다.
레이저 빔 L
기판 S
광학계 20
챔버 30
기판 스테이지 32
고체 레이저 광원 100
고체 레이저 매질 110
공진기 120
Q 스위치 130
파장 변경 소자 140

Claims (18)

  1. 제1 레이저빔을 생성하는 제1 레이저 광원;
    제2 레이저빔을 생성하는 제2 레이저 광원;
    제3 레이저빔을 생성하는 제3 레이저 광원;
    상기 제1 내지 제3 레이저 빔을 전달하는 광원계;
    상기 제1 내지 제3 레이저 빔이 조사되는 기판을 거치하는 기판 스테이지;를 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 레이저 광원은 고체 레이저 매질을 포함하는 고체 레이저 결정화 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 고체 레이저 매질은 Cr:Al2O3, Nd:YAG, Yb:YAG, Nd:YVO4 및 Nd:YLiF4 중 적어도 하나를 포함하는 고체 레이저 결정화 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광원계는 상기 제1 내지 제3 레이저 빔을 상기 기판 스테이지에 조사하고,
    상기 기판 스테이지는 수평 방향으로 이동 가능한 고체 레이저 결정화 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔의 출력 파워는 상기 제1 레이저 빔의 출력 파워보다 낮은 고체 레이저 결정화 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제3 고체 레이저 빔의 출력 파워는 상기 제1 레이저 빔의 출력 파워보다 낮은 고체 레이저 결정화 장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔의 출력 파워는 상기 제1 레이저 빔의 출력 파워의 10% 내지 70% 범위인 고체 레이저 결정화 장치.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 제3 레이저 빔의 출력 파워는 상기 제1 레이저 빔의 출력 파워의 70% 내지 180% 범위인 고체 레이저 결정화 장치.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 제3 레이저 빔의 출력 파워는 상기 제1 레이저 빔의 출력 파워의 70% 이상인 고체 레이저 결정화 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 레이저 빔 중 적어도 2 이상의 레이저 빔은 상기 기판 스테이지 상의 기판 거치 위치에서 중첩하는 고체 레이저 결정화 장치.
  10. 제1 고체 레이저 빔을 기판의 비정질 실리콘 박막의 제1 위치에 조사하는 단계;
    상기 제1 고체 레이저 빔의 조사 시점으로부터 일정 시간 후에 제2 고체 레이저 빔을 상기 제1 위치에 조사하는 단계;
    상기 제2 레이저 빔의 조사 시점으로부터 일정 시간 후에 제3 고체 레이저 빔을 상기 기판의 제1 위치에 조사하는 단계;를 포함하는 레이저 박막 결정화 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 고체 레이저 빔의 출력 파워는 상기 제1 고체 레이저의 출력 파워보다 작은 레이저 박막 결정화 방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제3 고체 레이저 빔의 출력 파워는 상기 제1 고체 레이저 빔보다 작은 레이저 박막 결정화 방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 고체 레이저 빔의 출력 파워는 상기 제1 고체 레이저 빔의 출력 파워의 10% 내지 70% 범위인 레이저 박막 결정화 방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 고체 레이저 빔은 상기 제1 고체 레이저 빔에 의해 상기 비정질 실리콘 박막의 용융 상태가 유지되는 동안에 조사되는 레이저 박막 결정화 방법.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 제3 고체 레이저 빔의 출력 파워는 상기 제1 고체 레이저 빔의 출력 파워의 70% 내지 180% 범위인 레이저 박막 결정화 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제3 고체 레이저 빔의 출력 파워는 상기 제1 고체 레이저 펄스의 출력 파워와 같은 레이저 박막 결정화 방법.
  17. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 레이저 빔 중 적어도 어느 하나는 다른 레이저 빔들의 주파수와 다른 레이저 박막 결정화 방법.
  18. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 레이저 빔 중 어느 하나의 레이저 빔의 출력 시점으로부터 상기 레이저 빔의 반치전폭(FWHM)보다 작은 시간 내에 제4 고체 레이저 빔을 출력하는 단계를 더 포함하는 레이저 박막 결정화 방법.
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