KR20190066647A - 레이저 결정화 장치 - Google Patents

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Abstract

레이저 결정화 장치는 입사 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생기; 입사 레이저 빔을 광 변환하여 출사 레이저 빔을 생성하는 광학계; 출사 레이저 빔의 위상을 기 설정된 천이 각도 범위 내에서 천이시키는 위상 천이 마스크(phase shift mask); 및 출사 레이저 빔이 조사되어 레이저 결정화되는 대상 박막을 포함하는 기판이 장착되는 스테이지를 포함한다.

Description

레이저 결정화 장치{LASER CRYSTALLIZATION APPARATUS}
본 발명은 결정화 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저 결정화 장치에 관한 것이다.
일반적으로 비정질 실리콘(Amorphous Silicon)은 전하 운반체인 전자의 이동도가 낮은 단점이 있다. 반면에, 다결정 실리콘(Polycrystalline Silicon)은 비정질 실리콘으로 제조된 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT)를 기판 상에 구현하는 것이 불가능하였던 구동 회로를 기판상에 구현하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 다결정 실리콘으로 제조된 박막 트랜지스터는 기판 상에 직접 형성하므로, 복수개의 단자와 구동 집적 회로(Driver IC)와의 접속이 불필요하게 되어, 생산성과 신뢰성을 높이고 표시 장치의 두께를 줄일 수 있다.
다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 저온 조건에서 제조하는 방법으로는 일반적으로 엑시머 레이저 열처리법(Excimer Laser Annealing, ELA)을 이용한다. 특히, 유기 발광 표시 장치(Organic Light Emitting Diode display, OLED) 또는 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display, LCD)의 제조 공정에서는 높은 에너지를 갖는 레이저 빔을 이용하여 결정화하는 엑시머 레이저 열처리법(ELA)을 사용한다.
이러한 엑시머 레이저 열처리법(ELA)의 레이저 결정화 장치에 사용하는 레이저 발생기는 펄스형 레이저 발생기로서 샷(shot) 간의 강도(intensity)의 균일도가 중요하다.
본 발명의 일 목적은 위상 천이 마스크를 이용하여 출사 레이저 빔의 피크 강도(peak intensity) 편차를 줄이는 레이저 결정화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 위상 천이 마스크 및 균일하지 않은 두께의 스플리터를 이용하여 출사 레이저 빔의 피크 강도 편차를 줄이는 레이저 결정화 장치를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 목적은 상술한 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 결정화 장치는 입사 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생기; 상기 입사 레이저 빔을 광 변환하여 출사 레이저 빔을 생성하는 광학계; 상기 출사 레이저 빔의 위상을 기 설정된 천이 각도 범위 내에서 천이시키는 위상 천이 마스크(phase shift mask); 및 상기 출사 레이저 빔이 조사되어 레이저 결정화되는 대상 박막을 포함하는 기판이 장착되는 스테이지를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 위상 천이 마스크는 상기 출사 레이저 빔이 진행하는 방향인 제1 방향에 배치되고, 복수의 식각 부분들을 갖는 석영 마스크를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 식각 부분들의 상기 제1 방향으로의 깊이는 균일하지 않을 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 식각 부분들을 통과하는 상기 출사 레이저 빔의 파장과 상기 석영 마스크의 식각되지 않은 부분을 통과하는 상기 출사 레이저 빔의 파장 사이에 위상차가 발생할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 위상 천이 마스크는 상기 석영 마스크의 식각되지 않은 부분의 적어도 일부 상에 배치되는 유전체층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 석영 마스크의 굴절률과 상기 유전체층의 굴절률이 서로 다를 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 광학계는 빔의 일부를 반사시키고 상기 빔의 나머지 일부를 투과시키는 스플리터(splitter); 및 상기 반사된 빔의 전부를 반사시키는 복수의 미러들(mirrors)을 포함할 수 있다. 상기 광학계는 상기 스플리터와 상기 미러들을 이용하여 복수의 출사 빔들을 출력하고, 상기 출사 빔들을 혼합하여 상기 출사 레이서 빔을 생성할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 스플리터는 상기 입사 레이저 빔이 조사되는 제1 평면; 및 상기 제1 평면의 맞은 편에 대응하는 제2 평면을 포함할 수 있다. 상기 스플리터의 상기 제1 평면과 상기 제2 평면 사이의 두께가 균일하지 않을 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제2 평면은 상기 제1 평면에 대하여 기 설정된 각도로 기울어질 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 광학계는 상기 스플리터로부터 반사되는 빔을 투과시켜 상기 반사되는 빔의 경로를 보정하는 보상기(compensator)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 스플리터 및 상기 보상기 중 적어도 하나는 상기 빔이 투과되는 평면들이 서로 평행하지 않은 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 위상 천이 마스크는 상기 출사 레이저 빔이 진행하는 방향인 제1 방향에 대하여 균일한 두께를 갖는 석영 마스크; 및 상기 제1 방향으로 상기 석영 마스크 상에 패터닝되는 유전체층을 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 위상 천이 마스크를 통과하며 천이되는 상기 출사 레이저 빔의 천이 각도는 -45°내지 +45°사이의 범위에 포함될 수 있다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 결정화 장치는 입사 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생기; 빔의 일부를 반사시키고 상기 빔의 나머지 일부를 투과시키는 스플리터(splitter)를 포함하고, 상기 입사 레이저 빔을 광 변환하여 출사 레이저 빔을 생성하는 광학계; 및 상기 출사 레이저 빔이 조사되어 레이저 결정화되는 대상 박막을 포함하는 기판이 장착되는 스테이지를 포함할 수 있다. 상기 입사 레이저 빔이 조사되는 상기 스플리터의 제1 평면과 상기 제1 평면의 맞은 편에 대응하는 제2 평면 사이의 두께가 균일하지 않을 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제2 평면은 상기 제1 평면에 대하여 기 설정된 각도로 기울어질 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 광학계는 상기 스플리터로부터 반사되는 빔을 투과시켜 상기 스플리터로부터 반사되는 빔의 경로를 보정하는 보상기(compensator); 및 조사되는 빔의 전부를 반사시키는 복수의 미러들(mirrors)을 더 포함할 수 있다. 상기 광학계는 상기 스플리터, 상기 보상기 및 상기 미러들을 이용하여 복수의 출사 빔들을 출력하고, 상기 출사 빔들을 혼합하여 상기 출사 레이서 빔을 생성할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 레이저 결정화 장치는 상기 출사 레이저 빔의 위상을 기 설정된 천이 범위 내에서 천이시키는 위상 천이 마스크(phase shift mask)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 위상 천이 마스크는 상기 출사 레이저 빔이 진행하는 방향인 제1 방향에 대하여 복수의 식각 부분들을 갖는 석영 마스크를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 위상 천이 마스크는 상기 석영 마스크의 식각되지 않은 부분의 적어도 일부 상에 배치되는 유전체층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 레이저 결정화 장치는 상기 입사 레이저 빔의 위상을 기 설정된 천이 범위 내에서 천이시켜 상기 광학계에 전달하는 위상 천이 마스크를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 레이저 결정화 장치는 빔을 투과시키는 평면들이 서로 평행하지 않은 스플리터 및/또는 보상기를 포함할 수 있다. 또한, 레이저 결정화 장치는 소정의 각도 이하로 레이저 빔의 위상 천이를 유도하는 위상 천이 마스크를 포함할 수 있다. 따라서, 결정화 공정을 위한 레이저 빔의 보강 간섭, 상쇄 간섭 등의 의도치 않은 광학 효과가 제거 내지 개선됨으로써, 이로 인한 얼룩 패턴 시인 불량, 예를 들어, 가로줄 무라 시인 불량이 개선될 수 있다. 나아가, 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 결정화 장치에 의해 제조된 표시 장치의 표시 품질이 향상될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상술한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 결정화 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 레이저 결정화 장치에 포함되는 위상 천이 마스크의 일 예를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 2의 위상 천이 마스크의 일부의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 2의 위상 천이 마스크의 일부의 다른 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 2의 위상 천이 마스크의 일부의 또 다른 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 1의 레이저 결정화 장치에 포함되는 광학계의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 7은 도 6의 광학계에 포함되는 스플리터의 단면의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 6의 광학계에 포함되는 스플리터와 보상기의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 6의 광학계에 포함되는 스플리터와 보상기의 다른 일 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 종래의 광학계를 통해 출력되는 출사 레이저 빔과 도 6의 광학계를 통해 출력되는 출사 레이저 빔을 비교한 일 예를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 결정화 장치의 개략도이고, 도 2는 도 1의 레이저 결정화 장치에 포함되는 위상 천이 마스크의 일 예를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 레이저 결정화 장치(1000)는 레이저 발생기(100), 광학계(200), 위상 천이 마스크(300) 및 스테이지(400)를 포함할 수 있다.
레이저 발생기(100)는 입사 레이저 빔(1)을 발생시킬 수 있다. 레이저 발생기(100)에서 발생되는 입사 레이저 빔(1)은 대상 박막(20)의 상 변이를 유도하는 엑시머 레이저 빔 등으로서 출사 레이저 빔(1')으로 변환되어 기판(10)에 형성된 대상 박막(20)을 결정화시킬 수 있다.
일 실시예에서, 대상 박막(20)은 비정질 실리콘층일 수 있으며, 이는 저압화학 증착법, 상압화학 증착법, PECVD법(plasma enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링법, 진공증착법(vacuum evaporation) 등의 방법으로 형성될 수 있다.
기판(10)은 스테이지(400) 상에 장착될 수 있다. 스테이지(400)는 출사 레이저 빔(1')이 조사되어 결정화되는 대상 박막(20)을 포함하는 대상 기판(10)을 지지 및 고정시킬 수 있다.
광학계(200)는 입사 레이저 빔(1)을 광 변환하여 출사 레이저 빔(1')을 생성할 수 있다. 광학계(200)는 입사 레이저 빔(1)의 파장 지속 시간을 증가시키는 동시에 입사 레이저 빔(1)의 파장을 반전시키거나 입사 레이저 빔(1)의 파장의 위상을 천이하는 펄스 익스텐더 모듈 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학계(200) 또는 이에 포함되는 펄스 익스텐더 모듈은 스플리터(splitter), 복수의 미러(mirror)들을 포함할 수 있다. 스플리터는 빔의 일부는 반사시키고 빔의 나머지 일부는 투과시킬 수 있다. 미러들은 빔의 전부를 반사시킬 수 있다. 출사 레이저 빔(1')은 스플리터 및 미러들에 의해 출력되는 복수의 출사 빔들이 혼합되어 생성될 수 있다. 광학계(200)의 구체적인 구성과 동작은 도 6 내지 도 9를 참조하여 상술하기로 한다.
종래의 레이저 결정화 장치에서 출력되는 복수의 레이저 빔들의 광학적 간섭 및 회절에 의해 출력되는 레이저 빔의 강도에 큰 편차가 발생된다. 이에 따라, 기판(10)의 점등 검사 시 가로줄 무라(mura) 등의 얼룩이 시인되는 불량이 검출되며, 특히, 저계조 영역에서의 화질 불량이 시인될 수 있다.
이러한 광학적 특징에 의한 얼룩 시인불량을 개선하기 위해 레이저 결정화 장치(1000)를 장축 방향(예를 들어, 레이저 진행 방향)으로 진동시키는 마이크로 스무딩(micro smoothing) 방식이 사용되고 있다. 즉, 마이크로 스무딩 방식은 레이저 결정화 장치(1000) 자체를 진동시켜 비교적 일정한 얼룩 패턴들을 혼합하여 상쇄시킴으로써 시각적으로 얼룩 시인을 개선한다. 예를 들어, 얼룩 시인 불량을 최소화하는 레이저 결정화 장치(1000)의 진동수와 진폭의 크기를 설정하여 마이크로 스무딩이 수행될 수 있다.
그러나, 마이크로 스무딩 방식은 레이저 결정화 장치(1000)의 주변 주파수와의 공진(resonance), 레이저 결정화 장치(1000) 자체의 진동에 따른 단축 방향으로의 진동 등에 의해 의도치 않은 이차적인 얼룩 패턴이 시인될 수 있으며, 이를 방지하기 위해 마이크로 스무딩을 위한 가용 주파수 범위가 제한된다. 나아가, 레이저 결정화 장치(1000) 및 이에 포함되는 광학계(200)가 대형화될수록 진동 및 마이크로 스무딩에 대한 제한 요인이 더 증가할 수 있으므로, 얼룩 발생 감소를 위한 근본적인 해결 방식이 필요하다.
위상 천이 마스크(300)는 출사 레이저 빔(1')의 위상을 기 설정된 천이 각도 범위 내에서 천이시킬 수 있다. 위상 천이 마스크(300)는 출사 레이저 빔(1')이 진행하는 방향인 제1 방향(DR1)에 수직하여(예를 들어, 제2 방향(DR2)으로) 배치되는 석영 마스크를 포함할 수 있다. 석영 마스크는 복수의 식각 부분들을 포함할 수 있다. 즉, 위상 천이 마스크(300)는 랜덤한 형태의 패턴을 갖는 석영 마스크로 구현될 수 있다. 즉, 위상 천이 마스크(300)의 제1 방향(DR1)으로의 두께는 균일하지 않고, 패턴의 프로파일(profile)을 따라 달라질 수 있다.
패턴들은 석영 마스크를 식각함으로써 형성될 수 있다. 즉, 석영 마스크는 복수의 식각 부분(EP)들 및 식각되지 않은 부분(NEP)들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 식각 부분(EP)들의 제1 방향(DR1)으로의 깊이는 서로 균일할 수 있다. 다른 실시예에서, 식각 부분(EP)들의 제1 방향(DR1)으로의 깊이 중 적어도 일부가 다르고 서로 균일하지 않을 수도 있다. 다시 말하면, 식각 부분(EP)들은 석영 마스크에서 랜덤한 위치 및 랜덤한 형태로 형성될 수 있다.
출사 레이저 빔(1')의 파장은 매질 변화에 따라 달라질 수 있다. 위상 천이 마스크(300)의 두께가 균일하지 않으므로, 출사 레이저 빔(1')이 위상 천이 마스크(300)를 통과하는 위치에 따라 출사 레이저 빔(1')의 파장들의 위상 차가 발생할 수 있다. 여기서, 출사 레이저 빔(1')들의 위상 차이는 최대 90°보다 작을 수 있다. 예를 들어, 출사 레이저 빔(1')이 석영 마스크를 통과하면서 천이되는 천이 각도는 -45°내지 +45°사이의 범위에 포함될 수 있다. 따라서, 위상 천이에 의한 파장의 보강 간섭이나 상쇄 간섭 발생 가능성이 최소화되고, 파장의 강도(intensity)의 편차가 최소화될 수 있다. 이에 따라, 대상 박막(20)의 결정화 시 필요한 에너지가 큰 편차 없이 확보될 수 있다.
또한, 종래의 레이저 결정화 장치에서 발생되는 빔의 간섭 현상과 회절 현상에 의한 급격한 파장의 피크 강도 증가에 따른 얼룩 패턴 시인 불량, 예를 들어, 가로줄 무라 시인 불량이 개선될 수 있다.
다만, 이는 예시적인 것으로서, 위상 천이 마스크(300)는 레이저 발생기(100)와 광학계(200) 사이에 배치될 수도 있다. 일 실시예에서, 위상 천이 마스크(300)는 입사 레이저 빔(1)이 전달되는 광 전달 경로에 배치될 수 있다. 이에 따라, 위상 천이 마스크(300)는 입사 레이저 빔(1)의 위상을 기 설정된 천이 범위 내에서 천이시켜 광학계(200)에 전달할 수 있다. 광학계(200)는 이에 기초하여 출사 레이저 빔(1')을 생성 및 출력할 수 있다.
일 실시예에서, 위상 천이 마스크(300)는 제1 방향(DR1)으로 석영 마스크 상에 패터닝되는 유전체층을 더 포함할 수 있다. 유전체층의 제1 방향(DR1)으로의 두께 또한 균일하지 않을 수 있다. 또한, 석영 마스크의 굴절률과 유전체층의 굴절률이 서로 다를 수 있다. 따라서, 위상 천이 마스크(300)를 통과하는 출사 레이저 빔(1')에 대한 위상 천이가 발생될 수 있다.
도 3은 도 2의 위상 천이 마스크의 일부의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 위상 천이 마스크(300A)는 석영 마스크(320)를 포함할 수 있다.
석영 마스크(320)는 출사 레이저 빔(1')이 진행하는 방향인 제1 방향(DR1)에 수직하는 제2 방향(DR2)에 대하여 복수의 식각 부분(EP)들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 식각 부분(EP)들의 제1 방향(DR1)으로의 깊이는 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 실시예에서, 식각 부분(EP)들의 제1 방향(DR1)으로의 깊이는 불균일할 수 있다. 예를 들어, 석영 마스크(320)의 식각되지 않은 부분(NEP)의 두께(D1, D2, D3, D4)가 불균일하고, 식각 부분(EP)들의 두께(D2, D3, D4) 또한 서로 다를 수 있다. 식각 부분(EP)의 패턴은 사각 패턴일 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로서, 식각 부분(EP)의 패턴이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 식각 부분(EP)의 패턴은 원형, 타원형, 다각형 등 다양한 형상을 가질 수 있으며, 식각 부분(EP)의 측벽은 제1 방향(DR1)에 대하여 경사지거나 굴곡진 형태를 가질 수도 있다.
석영 마스크(320)는 주변과 다른 굴절률을 갖는다. 예를 들어, 석영 마스크(320)의 주변은 공기 또는 진공으로 제1 굴절률(n1)을 가지며, 석영 마스크(320)는 제1 굴절률(n1)과 다른 제2 굴절률(n2)을 가질 수 있다. 따라서, 석영 마스크(320)와 주변에서의 출사 레이저 빔(1')의 파장은 서로 상이하다.
식각 부분(EP)들을 통과하는 출사 레이저 빔(1')의 파장과 석영 마스크(320)의 식각되지 않은 부분(NEP)을 통과하는 출사 레이저 빔(1')의 파장 사이에 위상 차(PS)가 발생할 수 있다. 예를 들어, 출사 레이저 빔(1')은 식각되지 않은 부분(NEP) 및 식각 부분(EP)을 통과할 수 있다. 식각되지 않은 부분(NEP)과 식각 부분(EP) 사이의 두께 차이에 의해 출사 레이저 빔(1')의 위상 천이가 서로 다른 순간에 발생될 수 있다. 따라서, 출사 레이저 빔(1')들 사이의 위상 차(PS)가 발생될 수 있다. 여기서, 위상 차(PS)는 90°보다 작을 수 있다. 예를 들어, 출사 레이저 빔(1')이 석영 마스크를 통과하면서 천이되는 천이 각도는 -45°내지 +45°사이의 범위에 포함될 수 있다. 따라서, 위상 천이에 의한 파장의 보강 간섭이나 상쇄 간섭 발생 가능성이 최소화되고, 파장의 강도(intensity)의 편차가 최소화될 수 있다. 이에 따라, 대상 박막(20)의 결정화 시 필요한 에너지가 큰 편차 없이 확보될 수 있다.
도 4는 도 2의 위상 천이 마스크의 일부의 다른 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 4에서는 도 3을 참조하여 설명한 구성 요소들에 대해 동일한 참조 부호들을 사용하며, 이러한 구성 요소들에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 도 4의 위상 천이 마스크(300B)는 유전체층(340)을 제외하면, 도 3의 위상 천이 마스크(300A)와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성을 가질 수 있다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 위상 천이 마스크(300B)는 석영 마스크(320) 및 유전체층(340)을 포함할 수 있다.
석영 마스크(320)는 출사 레이저 빔(11', 11'', 11''')이 진행하는 방향인 제1 방향(DR1)에 수직하여 복수의 식각 부분(EP)들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 식각 부분(EP)들의 제1 방향(DR1)으로의 깊이는 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 실시예에서, 식각 부분(EP)들의 제1 방향(DR1)으로의 깊이는 불균일할 수 있다.
식각 부분(EP)들을 통과하는 출사 레이저 빔(11')의 파장과 석영 마스크(320)의 식각되지 않은 부분(NEP)을 통과하는 출사 레이저 빔(11'')의 파장 사이에 위상 차(PS2)가 발생할 수 있다. 여기서, 위상 차(PS2)는 90°보다 작을 수 있다. 예를 들어, 위상 차(PS2)는 약 10°일 수 있다.
유전체층(340)은 석영 마스크(320)의 식각되지 않은 부분(NEP)의 적어도 일부 상에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 유전체층(340)은 반도체 유전체층으로써 산화규소, 질화규소, 산질화규소, 플루오르화마그네슘 등의 유전체 물질을 포함할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로서, 유전체층(340)이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 유전체층(340)은 석영과 다른 굴절률을 갖는 유전체 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 유전체층(340)의 제1 방향(DR1)으로의 두께가 균일할 수 있다. 다른 실시예에서, 유전체층(340)의 제1 방향(DR1)으로의 두께가 균일하지 않을 수도 있다.
이에 따라, 위상 천이 마스크(30B)는 식각 부분(EP), 식각되지 않은 부분(NEP) 및 식각 되지 않은 부분(NEP) 중 유전체층(340)이 배치되는 부분들의 제1 방향(DR1)으로의 두께가 상이할 수 있다. 따라서, 출사 레이저 빔(11', 11'', 11''')은 조사되는 위치에 따라 소정의 각도로 위상 천이가 발생될 수 있다.
유전체층(340)이 배치되는 영역을 통과하는 출사 레이저 빔(11''')의 파장과 석영 마스크(320)의 식각되지 않은 부분(NEP)을 통과하는 출사 레이저 빔(11'')의 파장 사이에 위상 차(PS1)가 발생할 수 있다. 여기서, 위상 차(PS1)는 90°보다 작을 수 있다. 예를 들어, 위상 차(PS1)는 약 10°일 수 있다. 유전체층(340)이 배치되는 영역을 통과하는 출사 레이저 빔(11''')의 파장과 석영 마스크(320)의 식각 부분(EP)들을 통과하는 출사 레이저 빔(11')의 파장 사이에도 위상 차(PS1 + PS2)가 존재한다.
유전체층(340)이 석영 마스크(320) 상에 전체적으로 증착된 후에 유전체층(340)과 석영 마스크(320)가 식각될 수 있다. 이에 따라, 위상 천이 마스크(300B)는 랜덤한 형태의 패턴을 가질 수 있다. 다만 이는 예시적인 것으로서, 위상 천이 마스크(300B)는 규칙적인 패턴을 가질 수도 있다.
일 실시예에서, 석영 마스크(320)의 굴절률(n2)과 유전체층(340)의 굴절률(n3)이 서로 다를 수 있다. 또한, 위상 천이 마스크(300B)의 주변의 굴절률(n1)은 석영 마스크(320)의 굴절률(n2)과 유전체층(340)의 굴절률(n3)과도 다를 수 있다. 따라서, 레이저 빔이 통과하는 부분에 따라 레이저 빔의 파장이 변화할 수 있다.
출사 레이저 빔(11', 11'', 11''')의 위상 천이 각도는 -45°내지 +45°사이의 범위에 포함될 수 있다. 따라서, 위상 천이에 의한 파장의 보강 간섭이나 상쇄 간섭 발생 가능성이 최소화되고, 파장의 강도의 편차가 최소화될 수 있다. 이에 따라, 대상 박막(20)의 결정화 시 필요한 에너지가 큰 편차 없이 확보될 수 있다.
도 5는 도 2의 위상 천이 마스크의 일부의 또 다른 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 5에서는 도 4를 참조하여 설명한 구성 요소들에 대해 동일한 참조 부호들을 사용하며, 이러한 구성 요소들에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 도 5의 위상 천이 마스크(300C)는 석영 마스크(320) 및 유전체층(342, 344)을 제외하면, 도 4의 위상 천이 마스크(300B)와 실질적으로 동일하거나 유사한 구성을 가질 수 있다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 위상 천이 마스크(300C)는 석영 마스크(320) 및 유전체층(342, 344)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 석영 마스크(320) 출사 레이저 빔이 진행하는 방향인 제1 방향(DR1)에 대하여 실질적으로 균일한 두께를 가질 수 있다.
유전체층(342, 344)은 제1 방향(DR1)으로 석영 마스크(320) 상에 패터닝되어 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 유전체층(342, 344)은 복수의 층으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 유전체층(342, 344)은 석영 마스크(320) 상에 패터닝되는 제1 유전체층(342) 및 제2 유전체층(342) 상에 패터닝되는 제2 유전체층(344)을 포함할 수 있다.
제1 유전체층(342)과 제2 유전체층(344)은 굴절률이 다른 서로 다른 유전체 물질을 각각 포함할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로서, 제1 유전체층(342)과 제2 유전체층(344)은 동일한 유전체 물질을 포함할 수도 있다.
이에 따라, 위상 천이 마스크(300C)는 랜덤한 형태의 패턴을 가지며, 위상 천이 마스크(300C)의 제1 방향(DR1)으로의 두께가 불균일해질 수 있다. 이러한 위상 천이 마스크(300C)의 두께 변화 및 굴절률 변화에 의해 출사 레이저 빔의 위상이 다양한 각도로 천이될 수 있다. 여기서, 위상 천이 각도는 오리지널 출사 레이저 빔의 파장으로부터 -45°내지 +45°사이의 범위에 포함될 수 있다. 따라서, 위상 천이에 의한 파장의 보강 간섭이나 상쇄 간섭 발생 가능성이 최소화되고, 파장의 강도(intensity)의 편차가 최소화될 수 있다. 이에 따라, 대상 박막(20)의 결정화 시 필요한 에너지가 큰 편차 없이 확보될 수 있다.
도 6은 도 1의 레이저 결정화 장치에 포함되는 광학계의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 광학계(200)는 스플리터(220) 및 복수의 미러들(262, 264, 266, 268)을 포함할 수 있다. 광학계(200)는 광로 보정을 수행하는 보정기(240)를 더 포함할 수 있다.
입사 레이저 빔(1)은 대상 박막(20)의 상 변이를 유도하는 엑시머 레이저 빔 등으로서 출사 레이저 빔(1')으로 변환되어 기판(10)에 형성된 대상 박막(20)을 결정화시킨다.
광학계(200)는 스플리터(220)와 미러들(262, 264, 266, 268)을 이용하여 입사 레이저 빔(1)을 복수의 출사 빔들(1A, 1B, 1C)로 만들고, 출사 빔들(1A, 1B, 1C)을 혼합하여 출사 레이저 빔(1')을 생성할 수 있다. 출사 레이저 빔(1')은 대상 박막(20)에 직접 조사되거나, 위상 천이 마스크(200)를 통해 대상 박막(20)에 조사될 수 있다.
스플리터(220)는 입사되는 빔의 일부를 반사시켜 반사 빔을 생성하고, 입사되는 빔의 나머지는 투과시켜 투과 빔(예를 들어, 제1 내지 제3 출사 빔들(1A, 1B, 1C))을 생성할 수 있다. 예를 들어, 스플리터(220)는 입사되는 빔의 약 50%를 반사하고 나머지 약 50%를 투과시킬 수 있다. 일례로, 스플리터(220)는 입사 레이저 빔(1)의 일부를 반사시키고, 입사 레이저 빔(1)의 나머지 일부를 투과시켜 제1 출사 빔(1A) 을 생성할 수 있다.
스플리터(220)는 입사 레이저 빔(1)이 조사되는 제1 평면 및 제1 평면의 맞은 편에 대응하는 제2 평면을 포함할 수 있다. 제2 평면은 제4 미러(268)로부터 반사되는 빔이 조사되는 평면일 수 있다. 일 실시예에서, 스플리터(220)의 제1 평면과 제2 평면 사이의 두께가 균일하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제2 평면은 제1 평면과 평행하지 않고, 제1 평면에 대하여 기 설정된 각도로 기울어진 형태를 가질 수 있다. 따라서, 레이저 빔이 조사되는 위치에 따라 레이저 빔의 파장이 위상이 달라질 수 있다.
보상기(240)는 스플리터(220)로부터 반사되는 빔을 투과시켜 반사되는 빔의 경로를 보정할 수 있다. 보상기(240)는 스플리터(220)로부터 반사되는 빔이 제1 미러(262)로 정확하게 조사되도록 빔을 굴절시켜 빔의 경로를 보정할 수 있다. 보상기(240)는 입사되는 빔을 모두 투과시킬 수 있다.
일 실시예에서, 보상기(240)에서, 빔이 투과되는 평면들이 서로 평행하지 않을 수 있다. 즉, 스플리터(220)로부터 반사되는 빔이 조사되는 제1 평면과 그 맞은 편 평면인 제2 평면 사이의 두께가 균일하지 않을 수 있다. 예를 들어, 보상기(240)는 제1 평면과 제2 평면이 평행하지 않은 사다리꼴 형태를 가질 수 있다. 따라서, 스플리터(220)로부터 반사된 빔이 조사되는 위치에 따라 레이저 빔의 파장이 위상이 달라질 수 있다.
미러들(262, 264, 266, 268)은 빔의 전부를 반사하는 제1 내지 제4 미러들(262, 264, 266, 268)로 구성될 수 있다. 보상기(240)로부터 출력되는 빔은 제1 미러(262), 제3 미러(266), 제2 미러(264), 제4 미러(268) 순서의 반사 루프를 거쳐 스플리터(220)로 다시 전달될 수 있다. 스플리터(220)는 이러한 루프 경로를 진행한 빔의 일부를 반사시켜 복수의 출사 빔들(1B, 1C)을 차례로 생성할 수 있다. 또한, 스플리터(220)는 나머지 일부 빔들을 보상기(240)로 투과시킬 수 있다.
도 7은 도 6의 광학계에 포함되는 스플리터의 단면의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 스플리터(220)는 레이저 빔이 조사되는 제1 평면(S1) 및 제1 평면(S1)의 맞은 편에 대응하는 제2 평면(S2)을 포함할 수 있다. 제1 평면(S1)과 제2 평면(S2) 사이의 거리인 스플리터(220)의 두께(T)는 균일하지 않을 수 있다. 일 실시예에서, 제2 평면(S2)은 제1 평면(S1)에 대하여 기 설정된 각도(ANG)로 기울어진 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 기울어진 각도(ANG)는 약 1° 내외일 수 있다. 이에 따라, 스플리터(220)의 제1 평면(S1)과 제2 평면(S2) 사이의 두께(T)가 위치에 따라 다를 수 있다.
스플리터(220)의 두께 변화에 따라 레이저 빔의 파장 변화가 서로 다른 시점에서 발생되며, 스플리터(220)에서의 위치에 따라 미소한 위상 천이가 발생될 수 있다. 따라서, -45°내지 +45°사이의 범위의 천이 각도를 갖는 위상 차들(PS1, PS2)이 생성될 수 있다. 이와 같은 불규칙한 파장의 위상 천이에 의해 레이저 빔의 간섭 및/회절에 의한 보강 및 상쇄 현상이 제거될 수 있다. 따라서, 보강/상쇄 간섭 등에 의해 레이저 빔 파장의 피크 강도가 급격하게 증가하거나 감소하는 현상이 개선될 수 있다.
도 8은 도 6의 광학계에 포함되는 스플리터와 보상기의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 9는 도 6의 광학계에 포함되는 스플리터와 보상기의 다른 일 예를 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 스플리터(220A, 220B) 및 보상기(240A, 240B) 중 적어도 하나는 레이저 빔이 투과되는 평면들이 서로 평행하지 않은 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 스플리터(220A)가 레이저 빔이 투과되는 평면들이 서로 평행하지 않은 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 스플리터(220A)의 일 부분에서의 제1 두께(T1)와 다른 일부분에서의 제2 두께(T2)가 서로 다를 수 있다. 일례로, 스플리터(220A)의 단면은 레이저 빔이 투과되는 평면들이 서로 평행하지 않은 사다리꼴 형상일 수 있다. 이에 반해, 보상기(240A)는 레이저 빔이 투과되는 평면들이 실질적으로 평행한 직사각형 형태를 가질 수 있다.
이에 따라, 보상기(240A)를 통과하는 레이저 빔들 사이에는 위상차가 발생되지 않지만, 스플리터(220A)를 통과하는 레이저 빔들 사이에 위상차가 발생할 수 있다.
일 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 스플리터(220B)는 레이저 빔이 투과되는 평면들이 실질적으로 평행한 형상을 가지고, 보상기(240B)가 레이저 빔이 투과되는 평면들이 서로 평행하지 않은 형상을 가질 수 있다. 일례로, 보상기(240B)의 단면은 사다리꼴 형상이고, 스플리터(220B)의 단면은 직사각형 형상일 수 있다.
이에 따라, 스플리터(220A)를 통과하는 레이저 빔들 사이에는 위상차가 발생되지 않지만, 보상기(240B)를 통과하는 레이저 빔들 사이에 위상차가 발생할 수 있다.
다만, 이는 예시적인 것으로서, 스플리터 및 보상기의 형태가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 스플리터 및 보상기가 모두 사다리꼴 형상일 수 있다.
이와 같이, 스플리터(220A, 220B) 및/또는 보상기(240A, 240B)의 두께 변화에 따른 미소한 위상 천이에 의해 출사 레이저 빔의 파장의 강도 편차가 최소화될 수 있다. 즉, 얼룩 시인 불량의 근본 원인인 레이저 빔의 광학적 간섭 및 회절 현상 자체가 최소화 또는 제거되며, 이로 인한 얼룩 패턴 시인 불량, 예를 들어, 가로줄 무라 시인 불량이 개선될 수 있다.
도 10은 종래의 광학계를 통해 출력되는 출사 레이저 빔과 도 6의 광학계를 통해 출력되는 출사 레이저 빔을 비교한 일 예를 보여주는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 종래의 광학계를 통해 출력되는 출사 레이저 빔(B1)은 소정의 주파수 범위에서 진폭(amplitude)이 급격히 상승할 수 있다. 이러한 진폭 상승에는 광학적인 간섭 및/또는 회절 현상이 주요한 요인으로 작용할 수 있다. 또한, 상기 진폭 상승은 얼룩 패턴 시인의 불량을 유발한다.
본 발명의 실시예들에 따른 광학계(200) 및 이를 포함하는 레이저 결정화 장치(1000)는 빔을 투과시키는 평면들이 서로 평행하지 않은 스플리터 및/또는 보상기를 포함할 수 있다. 또한, 레이저 결정화 장치(1000)는 레이저 빔의 위상 천이를 유도하는 위상 천이 마스크(300)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 출사 레이저 빔(B2)들에 기 설정된 각도 이하의 위상 천이가 발생되며, 보강 간섭, 상쇄 간섭 등의 의도치 않은 광학 효과가 제거될 수 있다.
따라서, 도 10에 도시된 바와 같이, 출사 레이저 빔(B2)의 진폭 및, 주파수 변화에 따른 진폭의 편차가 종래보다 큰 폭으로 감소할 수 있다. 따라서, 얼룩 시인 불량(예를 들어, 가로줄 무라)의 근본 원인인 레이저 빔의 광학적 간섭 및 회절 현상 자체가 개선 내지 제거됨으로써, 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 결정화 장치에 의해 제조된 표시 장치의 표시 품질이 향상될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 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.
10: 대상 기판
20: 대상 박막
100: 레이저 발생기
200: 광학계
220, 220A, 220B: 스플리터
240, 240A, 240B: 보상기
300, 300A, 300B, 300B: 위상 천이 마스크
320: 석영 마스크
340, 342, 344: 유전체층

Claims (20)

  1. 입사 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생기;
    상기 입사 레이저 빔을 광 변환하여 출사 레이저 빔을 생성하는 광학계;
    상기 출사 레이저 빔의 위상을 기 설정된 천이 각도 범위 내에서 천이시키는 위상 천이 마스크(phase shift mask); 및
    상기 출사 레이저 빔이 조사되어 레이저 결정화되는 대상 박막을 포함하는 기판이 장착되는 스테이지를 포함하는 레이저 결정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 위상 천이 마스크는
    상기 출사 레이저 빔이 진행하는 방향인 제1 방향에 배치되고, 복수의 식각 부분들을 갖는 석영 마스크를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 식각 부분들의 상기 제1 방향으로의 깊이는 균일하지 않은 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 식각 부분들을 통과하는 상기 출사 레이저 빔의 파장과 상기 석영 마스크의 식각되지 않은 부분을 통과하는 상기 출사 레이저 빔의 파장 사이에 위상차가 발생하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 위상 천이 마스크는
    상기 석영 마스크의 식각되지 않은 부분의 적어도 일부 상에 배치되는 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 석영 마스크의 굴절률과 상기 유전체층의 굴절률이 서로 다른 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 광학계는
    빔의 일부를 반사시키고 상기 빔의 나머지 일부를 투과시키는 스플리터(splitter); 및
    상기 반사된 빔의 전부를 반사시키는 복수의 미러들(mirrors)을 포함하고,
    상기 광학계는 상기 스플리터와 상기 미러들을 이용하여 복수의 출사 빔들을 출력하고, 상기 출사 빔들을 혼합하여 상기 출사 레이서 빔을 생성하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 스플리터는
    상기 입사 레이저 빔이 조사되는 제1 평면; 및
    상기 제1 평면의 맞은 편에 대응하는 제2 평면을 포함하고,
    상기 스플리터의 상기 제1 평면과 상기 제2 평면 사이의 두께가 균일하지 않은 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제2 평면은 상기 제1 평면에 대하여 기 설정된 각도로 기울어진 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 광학계는
    상기 스플리터로부터 반사되는 빔을 투과시켜 상기 반사되는 빔의 경로를 보정하는 보상기(compensator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 스플리터 및 상기 보상기 중 적어도 하나는 상기 빔이 투과되는 평면들이 서로 평행하지 않은 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 위상 천이 마스크는
    상기 출사 레이저 빔이 진행하는 방향인 제1 방향에 대하여 균일한 두께를 갖는 석영 마스크; 및
    상기 제1 방향으로 상기 석영 마스크 상에 패터닝되는 유전체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 위상 천이 마스크를 통과하며 천이되는 상기 출사 레이저 빔의 천이 각도는 -45°내지 +45°사이의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  14. 입사 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생기;
    빔의 일부를 반사시키고 상기 빔의 나머지 일부를 투과시키는 스플리터(splitter)를 포함하고, 상기 입사 레이저 빔을 광 변환하여 출사 레이저 빔을 생성하는 광학계; 및
    상기 출사 레이저 빔이 조사되어 레이저 결정화되는 대상 박막을 포함하는 기판이 장착되는 스테이지를 포함하고,
    상기 입사 레이저 빔이 조사되는 상기 스플리터의 제1 평면과 상기 제1 평면의 맞은 편에 대응하는 제2 평면 사이의 두께가 균일하지 않은 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제2 평면은 상기 제1 평면에 대하여 기 설정된 각도로 기울어진 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 광학계는
    상기 스플리터로부터 반사되는 빔을 투과시켜 상기 스플리터로부터 반사되는 빔의 경로를 보정하는 보상기(compensator); 및
    조사되는 빔의 전부를 반사시키는 복수의 미러들(mirrors)을 더 포함하고,
    상기 광학계는 상기 스플리터, 상기 보상기 및 상기 미러들을 이용하여 복수의 출사 빔들을 출력하고, 상기 출사 빔들을 혼합하여 상기 출사 레이서 빔을 생성하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 출사 레이저 빔의 위상을 기 설정된 천이 범위 내에서 천이시키는 위상 천이 마스크(phase shift mask)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 위상 천이 마스크는
    상기 출사 레이저 빔이 진행하는 방향인 제1 방향에 대하여 복수의 식각 부분들을 갖는 석영 마스크를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 위상 천이 마스크는
    상기 석영 마스크의 식각되지 않은 부분의 적어도 일부 상에 배치되는 유전체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 입사 레이저 빔의 위상을 기 설정된 천이 범위 내에서 천이시켜 상기 광학계에 전달하는 위상 천이 마스크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
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