KR20210141799A - 레이저 장치 및 표시 장치의 제조 방법 - Google Patents

레이저 장치 및 표시 장치의 제조 방법 Download PDF

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박철호
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Abstract

레이저 장치가 제공된다. 일 실시예에 따른 레이저 장치는 레이저 빔을 출사하는 레이저 모듈, 레이저 모듈로부터 출사된 레이저 빔을 출사 방향과 교차하는 제1 방향으로의 사이즈를 확장시켜 출사하는 제1 광학계, 제1 광학계로부터 출사된 레이저 빔을 제1 방향으로 분할한 복수의 조각 빔을 출사 방향 및 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 배열하여 출사하는 제2 광학계, 제2 광학계로부터 출사된 레이저 빔의 에너지를 제1 방향으로 균일화하는 제3 광학계, 및 제3 광학계로부터 출사된 레이저 빔의 제1 방향으로의 사이즈를 축소시키는 제4 광학계를 포함한다.

Description

레이저 장치 및 표시 장치의 제조 방법 {LASER DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING DISPLAY DEVICE}
본 발명은 레이저 장치 및 표시 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
표시 장치는 멀티미디어의 발달과 함께 그 중요성이 증대되고 있다. 이에 부응하여 유기발광 표시 장치(Organic Light Emitting Display, OLED), 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display, LCD) 등과 같은 여러 종류의 표시 장치가 사용되고 있다.
상술한 표시 장치는 각 화소의 발광 여부 및 정도를 박막 트랜지스터를 이용하여 제어할 수 있다. 박막 트랜지스터는 반도체층, 게이트 전극 및 소스/드레인 전극 등을 포함하는데, 반도체층에는 비정질 실리콘(a-Si)을 결정화한 다결정 실리콘(poly-Si)이 주로 사용된다. 비정질 실리콘(a-Si)을 폴리 실리콘(p-Si)으로 결정화하는 방법으로, 비정질 실리콘(a-Si)에 레이저 빔을 조사하여 결정화하는 방법이 사용된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 균일하고 우수한 품질의 표시 장치를 제작하기 위한 레이저 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 균일한 우수한 품질의 표시 장치를 제작하기 위한 표시 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 일 실시예에 따른 레이저 장치는 레이저 빔을 출사하는 레이저 모듈; 상기 레이저 모듈로부터 출사된 상기 레이저 빔을 상기 출사 방향과 교차하는 제1 방향으로의 사이즈를 확장시켜 출사하는 제1 광학계; 상기 제1 광학계로부터 출사된 상기 레이저 빔을 상기 제1 방향으로 분할한 복수의 조각 빔을 상기 출사 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 배열하여 출사하는 제2 광학계; 상기 제2 광학계로부터 출사된 상기 레이저 빔의 에너지를 상기 제1 방향으로 균일화하는 제3 광학계; 및 상기 제3 광학계로부터 출사된 상기 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 사이즈를 축소시키는 제4 광학계를 포함한다.
상기 제2 광학계는 상기 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 사이즈 및 상기 제2 방향으로의 사이즈를 상호 교환시켜 출사할 수 있다.
상기 제2 광학계는 상기 레이저 빔의 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로의 빔질 인자를 유지하며 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로의 사이즈를 상호 교환시킬 수 있다.
상기 제3 광학계는, 일측면은 상기 제1 방향으로 볼록하고 타측면은 평면 구조인 원통 렌즈 어레이를 포함하는 제1 단축 호모지나이저, 상기 제1 단축 호모지나이저의 타측에 배치되며, 일측면은 평면 구조이고 타측면은 상기 제1 방향으로 볼록한 원통 렌즈 어레이를 포함하는 제2 단축 호모지나이저, 및 상기 제2 단축 호모지나이저의 타측에 배치되며, 일측면은 평면 구조이고 타측면은 상기 제1 방향으로 볼록한 렌즈를 포함하는 제3 단축 호모지나이저를 포함할 수 있다.
상기 제1 단축 호모지나이저, 상기 제2 단축 호모지나이저 및 상기 제3 단축 호모지나이저는 상기 제2 방향으로 연장할 수 있다.
상기 레이저 빔의 에너지를 상기 제2 방향으로 균일화하는 제5 광학계를 더 포함할 수 있다.
상기 제5 광학계는, 일측면은 상기 제2 방향으로 볼록하고 타측면은 평면 구조인 원통 렌즈 어레이를 포함하는 제1 장축 호모지나이저, 상기 제1 장축 호모지나이저의 타측에 배치되며, 일측면은 평면 구조이고 타측면은 상기 제2 방향으로 볼록한 원통 렌즈 어레이를 포함하는 제2 장축 호모지나이저, 및 상기 제2 장축 호모지나이저의 타측에 배치되며, 일측면은 평면 구조이고 타측면은 상기 제2 방향으로 볼록한 렌즈를 포함하는 제3 장축 호모지나이저를 포함할 수 있다.
상기 제1 장축 호모지나이저, 상기 제2 장축 호모지나이저 및 상기 제3 장축 호모지나이저는 상기 제1 방향으로 연장할 수 있다.
상기 제5 광학계에는 상기 제2 광학계를 거친 상기 레이저 빔이 입사될 수 있다.
상기 제4 광학계는 상기 제2 방향으로 연장하며 일면이 상기 제1 방향으로 볼록한 원통형 볼록렌즈를 포함할 수 있다.
상기 제4 광학계로부터 출사되는 상기 레이저 빔은 대상 기판의 상면에서 초점이 형성될 수 있다.
상기 레이저 빔은 상기 대상 기판의 상면에서 플랫탑 형태의 에너지 프로파일을 형성할 수 있다.
상기 대상 기판의 상면에 조사되는 상기 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 폭은 150um 이하일 수 있다.
상기 제1 광학계를 통과하기 이전의 상기 레이저 빔은 상기 제2 방향에 대한 빔질 인자는 유지되되, 상기 제1 방향에 대한 빔질 인자는 감소할 수 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 일 실시예에 따른 표시 장치의 제조 방법은 비정질 반도체층이 배치된 대상 기판을 준비하는 단계; 및 상기 비정질 반도체층에 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 반도체층을 결정화하는 단계를 포함하되, 상기 레이저 빔을 조사하는 단계는, 제1 레이저 빔을 출사하는 단계, 상기 제1 레이저 빔을 상기 제1 레이저 빔의 출사 방향과 수직한 제1 방향으로 확장시킨 제2 레이저 빔으로 변환하는 단계, 상기 제2 레이저 빔을 상기 제1 방향으로 분할한 복수의 조각 빔을 상기 출사 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 배열한 제3 레이저 빔으로 변환하는 단계, 상기 제3 레이저 빔의 에너지를 상기 제1 방향으로 균일화한 제4 레이저 빔을 생성하는 단계, 및 상기 제4 레이저 빔의 상기 제1 방향의 사이즈를 축소시킨 제5 레이저 빔을 생성하는 단계를 포함하며, 상기 비정질 반도체층에는 상기 제5 레이저 빔이 조사된다.
상기 제2 레이저 빔을 상기 제1 방향으로 분할한 복수의 조각 빔을 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 배열한 제3 레이저 빔으로 변환하는 단계는 상기 제2 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 사이즈 및 상기 제2 방향으로의 사이즈를 상호 교환시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 레이저 빔을 상기 제1 방향으로 분할한 복수의 조각 빔을 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 배열한 제3 레이저 빔으로 변환하는 단계에서, 상기 제2 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 빔질 인자 및 상기 제2 방향으로의 빔질 인자는 유지될 수 있다.
상기 제5 레이저 빔은 상기 비정질 반도체층 내부에서 초점이 형성될 수 있다.
상기 제5 레이저 빔의 상기 초점에서의 에너지 프로파일은 플랫탑 형상을 가질 수 있다.
상기 제2 레이저 빔을 상기 제1 방향으로 분할한 복수의 조각 빔을 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 배열한 제3 레이저 빔으로 변환하는 단계 이후에, 상기 제3 레이저 빔의 에너지를 상기 제2 방향으로 균일화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
일 실시예에 따른 레이저 장치에 의하면, 좁은 단축 사이즈를 형성하여 높은 에너지 밀도를 가지며, 충분한 초점 심도를 확보하여 단축 방향 영역별로 균일한 에너지를 갖는 레이저 빔을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 표시 장치의 제조 방법에 의하면, 좁은 단축 사이즈를 형성하여 높은 에너지 밀도를 가지며, 충분한 초점 심도를 확보하여 단축 방향 영역별로 균일한 에너지를 갖는 레이저 빔을 제공하는 표시 장치의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 표시 장치의 평면도이다.
도 2는 도 1의 표시 장치의 일부분을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 레이저 장치의 사시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 레이저 장치로부터 출사된 레이저 빔이 조사되는 기판을 확대한 개략도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 레이저 장치에서 레이저 빔의 이동 경로를 나타낸 흐름도이다.
도 6은 텔레스코프 렌즈부를 통과하는 레이저 빔을 나타낸 개략도이다.
도 7은 텔레스코프 렌즈부를 통과한 레이저 빔의 에너지에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 8은 빔질 인자 변환부를 통과하는 레이저 빔을 나타낸 개략도이다.
도 9는 빔질 인자 변환부를 통과한 레이저 빔의 에너지에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 10은 단축 호모지나이저를 통과하는 레이저 빔을 나타낸 개략도이다.
도 11은 장축 호모지나이저를 통과하는 레이저 빔을 나타낸 개략도이다.
도 12는 프로젝션 렌즈를 통과하는 레이저 빔을 나타낸 개략도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 레이저 장치 레이저 빔의 에너지 프로파일 그래프이다.
도 14 및 도 15는 비교 실시예에 따른 레이저 장치 레이저 빔의 에너지 프로파일 그래프이다.
도 16은 일 실시예에 따른 표시 장치의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
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.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 실시예들에 대해 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 표시 장치의 평면도이다. 도 2는 도 1의 표시 장치의 일부분을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 표시 장치(DD)는 동영상이나 정지영상을 표시한다. 표시 장치(DD)는 표시 화면을 제공하는 모든 전자 장치를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 표시 화면을 제공하는 텔레비전, 노트북, 모니터, 광고판, 사물 인터넷, 모바일 폰, 스마트 폰, 태블릿 PC(Personal Computer), 전자 시계, 스마트 워치, 워치 폰, 헤드 마운트 디스플레이, 이동 통신 단말기, 전자 수첩, 전자 책, PMP(Portable Multimedia Player), 내비게이션, 게임기, 디지털 카메라, 캠코더 등이 표시 장치(DD)에 포함될 수 있다.
표시 장치(DD)의 형상은 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 표시 장치(DD)는 가로가 긴 직사각형, 세로가 긴 직사각형, 정사각형, 코너부(꼭지점)가 둥근 사각형, 기타 다각형, 원형 등의 형상을 가질 수 있다. 표시 장치(DD)의 표시 영역(DPA)의 형상 또한 표시 장치(DD)의 전반적인 형상과 유사할 수 있다. 도 1에서는 가로가 긴 직사각형 형상의 표시 장치(DD) 및 표시 영역(DPA)이 예시되어 있다.
표시 장치(DD)는 표시 영역(DPA)과 비표시 영역(NDA)을 포함할 수 있다. 표시 영역(DPA)은 화면이 표시될 수 있는 영역이고, 비표시 영역(NDA)은 화면이 표시되지 않는 영역이다. 표시 영역(DPA)은 활성 영역으로, 비표시 영역(NDA)은 비활성 영역으로도 지칭될 수 있다. 표시 영역(DPA)은 대체로 표시 장치(DD)의 중앙을 차지할 수 있다.
표시 영역(DPA)은 복수의 화소(PX)를 포함할 수 있다. 복수의 화소(PX)는 행렬 방향으로 배열될 수 있다.
표시 영역(DPA)의 주변에는 비표시 영역(NDA)이 배치될 수 있다. 비표시 영역(NDA)은 표시 영역(DPA)을 전부 또는 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 표시 영역(DPA)은 직사각형 형상이고, 비표시 영역(NDA)은 표시 영역(DPA)의 4변에 인접하도록 배치될 수 있다.
표시 장치(DD)는 표시 패널(DP)을 포함할 수 있다. 표시 패널(DP)은 화면이나 영상을 표시하는 패널로서, 그 예로는 유기 발광 표시 패널(OLED), 무기 발광 표시 패널(inorganic EL), 퀀텀닷 발광 표시 패널(QED), 마이크로 LED 표시 패널(micro-LED), 나노 LED 표시 패널(nano-LED), 플라즈마 표시 패널(PDP), 전계 방출 표시 패널(FED), 음극선 표시 패널(CRT)등의 자발광 표시 패널 뿐만 아니라, 액정 표시 패널(LCD), 전기 영동 표시 패널(EPD) 등의 수광 표시 패널을 포함할 수 있다. 이하에서는 표시 패널(DP)로서 유기 발광 표시 패널을 예로 하여 설명하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
표시 패널(DP)은 베이스 기판(SUB1), 버퍼층(SUB2), 반도체층(ACT), 제1 절연층(IL1), 제1 게이트 도전층(621), 제2 절연층(IL2), 제2 게이트 도전층(622), 제3 절연층(IL3), 데이터 도전층(623), 제4 절연층(IL4), 애노드 전극(ANO), 애노드 전극(ANO)을 노출하는 개구부를 포함하는 화소 정의막(PDL), 화소 정의막(PDL)의 개구부 내에 배치된 발광층(EML), 발광층(EML)과 화소 정의막(PDL) 상에 배치된 캐소드 전극(CAT), 캐소드 전극(CAT) 상에 배치된 박막 봉지층(EN)을 포함할 수 있다. 상술한 각 층들은 단일막으로 이루어질 수 있지만, 복수의 막을 포함하는 적층막으로 이루어질 수도 있다. 각 층들 사이에는 다른 층이 더 배치될 수도 있다.
베이스 기판(SUB1)은 그 위에 배치되는 각 층들을 지지할 수 있다. 베이스 기판(SUB1)은 고분자 수지 등의 절연 물질 또는 유리나 석영 등과 같은 무기 물질로 이루어질 수도 있다.
베이스 기판(SUB1) 상에는 버퍼층(SUB2)이 배치된다. 버퍼층(SUB2)은 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 또는 실리콘 산질화물 등을 포함할 수 있다.
버퍼층(SUB2) 상에는 반도체층(ACT)이 배치된다. 반도체층(ACT)은 화소의 박막 트랜지스터의 채널을 이룰 수 있다. 반도체층(ACT)은 후술할 레이저 장치(도 3의 'LD' 참조)에 의해 결정화된 다결정 실리콘을 포함할 수 있다. 반도체층(ACT)은 대상 기판(도 3의 '10' 참조) 상에 배치된 비정질 실리콘 박막(도 3의 '11')을 모두 결정화시킨 후 이를 패터닝한 것이거나, 또는 비정질 실리콘 박막(도 3의 '11')을 우선 패터닝한 후, 패터닝 된 비정질 실리콘 박막(도 3의 '11')을 결정화시킨 것일 수도 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니고, 도시하진 않았으나, 비정질 실리콘 박막(도 3의 '11')의 일부만을 결정화하여, 반도체층(ACT)은 비정질 실리콘이 배치된 비정질 실리콘 영역(미도시)과 다결정 실리콘이 배치된 다결정 실리콘 영역(미도시)을 포함할 수도 있다.
반도체층(ACT) 상에는 제1 절연층(IL1)이 배치될 수 있다. 제1 절연층(IL1)은 게이트 절연 기능을 갖는 제1 게이트 절연막일 수 있다.
제1 절연층(IL1) 상에는 제1 게이트 도전층(621)이 배치될 수 있다. 제1 게이트 도전층(621)은 화소의 박막 트랜지스터의 게이트 전극(GAT)과 그에 연결된 스캔 라인, 및 유지 커패시터 제1 전극(CE1)을 포함할 수 있다.
제1 게이트 도전층(621) 상에는 제2 절연층(IL2)이 배치될 수 있다. 제2 절연층(IL2)은 층간 절연막 또는 제2 게이트 절연막일 수 있다.
제2 절연층(IL2) 상에는 제2 게이트 도전층(640)이 배치될 수 있다. 제2 게이트 도전층(640)은 유지 커패시터 제2 전극(CE2)을 포함할 수 있다.
제2 게이트 도전층(640) 상에는 제3 절연층(IL3)이 배치될 수 있다. 제3 절연층(IL3)은 층간 절연막일 수 있다.
제3 절연층(IL3) 상에는 데이터 도전층(623)이 배치될 수 있다. 데이터 도전층(623)은 화소의 박막 트랜지스터의 제1 전극(SD1)과 제2 전극(SD2), 및 제1 전원 라인(ELVDDE)을 포함할 수 있다. 박막 트랜지스터의 제1 전극(SD1)과 제2 전극(SD2)은 제3 절연층(IL3), 제2 절연층(IL2) 및 제1 절연층(IL1)을 관통하는 컨택홀을 통해 반도체층(ACT)의 소스 영역 및 드레인 영역과 전기적으로 연결될 수 있다.
데이터 도전층(623) 상에는 제4 절연층(IL4)이 배치될 수 있다. 제4 절연층(IL4)은 데이터 도전층(623)을 덮을 수 있다. 제4 절연층(IL4)은 비아층일 수 있다.
제4 절연층(IL4) 상에는 애노드 전극(ANO)이 배치될 수 있다. 애노드 전극(ANO)은 화소마다 마련된 화소 전극일 수 있다. 애노드 전극(ANO)은 제4 절연층(IL4)을 관통하는 컨택홀을 통해 박막 트랜지스터의 제2 전극(SD2)과 연결될 수 있다.
애노드 전극(ANO) 상에는 화소 정의막(PDL)이 배치될 수 있다. 화소 정의막(PDL)은 애노드 전극(270) 상에 배치되며, 애노드 전극(270)을 노출하는 개구부를 포함할 수 있다. 화소 정의막(PDL) 및 그 개구부에 의해 발광 영역(EMA)과 비발광 영역(NEM)이 구분될 수 있다.
화소 정의막(PDL) 상에는 스페이서(SP)가 배치될 수 있다. 스페이서(SP)는 상부에 배치되는 구조물과의 간격을 유지시키는 역할을 할 수 있다.
화소 정의막(PDL)이 노출하는 애노드 전극(ANO) 상에는 발광층(EML)이 배치될 수 있다. 발광층(EML)은 유기 물질층을 포함할 수 있다. 발광층의 유기 물질층은 유기 발광층을 포함하며, 정공 주입/수송층 및/또는, 전자 주입/수송층을 더 포함할 수 있다.
발광층(EML) 상에는 캐소드 전극(CAT)이 배치될 수 있다. 캐소드 전극(CAT)은 화소의 구별없이 전면적으로 배치된 공통 전극일 수 있다. 애노드 전극(270), 발광층(EML) 및 캐소드 전극(CAT)은 각각 유기 발광 소자를 구성할 수 있다.
캐소드 전극(CAT) 상부에는 제1 무기막(EN1), 제1 유기막(EN2) 및 제2 무기막(EN3)을 포함하는 박막 봉지층(EN)이 배치된다. 박막 봉지층(EN)의 단부에서 제1 무기막(EN1)과 제2 무기막(EN3)은 서로 접할 수 있다. 제1 유기막(EN2)은 제1 무기막(EN1)과 제2 무기막(EN3)에 의해 밀봉될 수 있다.
제1 무기막(EN1) 및 제2 무기막(EN3)은 각각 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 또는 실리콘 산질화물 등을 포함할 수 있다. 제1 유기막(EN2)은 유기 절연 물질을 포함할 수 있다.
이하에서는 상술한 반도체층(ACT)에 포함되는 다결정 실리콘 박막을 형성하는 레이저 장치에 대해 설명한다. 구체적으로, 후술할 레이저 장치는 비정질 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막으로 결정화하는 장치일 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 레이저 장치의 사시도이다. 도 4는 일 실시예에 따른 레이저 장치로부터 출사된 레이저 빔이 조사되는 기판을 확대한 개략도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 대상 기판(10) 상에는 비정질 실리콘 박막(11)이 위치할 수 있다. 대상 기판(10)은 유리 기판 또는 플렉서블 기판일 수 있다. 플렉서블 기판은 PET(Polyethylene Terephthalate) 필름, PP(Polypropylene) 필름, PE(Polyethylene) 필름, PI(Polyimide) 필름, PS(Polystyrene) 필름, PC(Polycarbonate) 필름, PEN(Polyethylene Naphthalate) 필름, COC(Cyclic Olefin Copolymer) 필름 또는 Acryl 필름 중 어느 하나일 수 있다.
본 명세서에서는 대상 기판(10) 상에 비정질 실리콘 박막(11)이 형성되고, 레이저 장치(LD)에 의해 결정화되는 것을 예로하여 설명하였으나, 이에 제한되지 않고 비정질 실리콘 박막(11)은 실리콘 이외에 다른 물질을 더 포함하는 비정질 반도체층일 수 있다.
비정질 실리콘 박막(11)은 CVD, 또는 플라스마 CVD 등의 방법에 의해 형성될 수 있다. 비정질 실리콘 박막(11)은 영역별로 균일한 두께를 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않고 비정질 실리콘 박막(11)은 상면 및 하면이 요철을 포함하며, 미세 구조상 영역별로 다른 두께를 가질 수 있다. 이에 대한 상세한 내용은 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.
예를 들어, 비정질 실리콘 박막(11)은 실리콘 또는 실리콘 기반 물질(예를 들어, SixGe(1-x))을 사용하여 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 레이저 장치(LD)는 레이저 빔(LB)을 제공하는 장치일 수 있다. 레이저 장치(LD)를 이용하여 레이저 빔(LB)을 제공할 때, 대상 기판(10)의 일측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 레이저 장치(LD)는 레이저 빔(LB)이 조사되는 대상 기판(10)의 상부에 위치할 수 있다.
레이저 장치(LD)는 대상 기판(10) 상에 위치하는 비정질 실리콘 박막(11) 상에 레이저 빔(LB)을 조사할 수 있다. 레이저 빔(LB)이 조사된 비정질 실리콘 박막(11)은 다결정 실리콘 박막(12)으로 결정화될 수 있다. 비정질 실리콘 박막(11)의 효과적인 결정화를 위해서는 많은 양의 에너지가 필요할 수 있다. 따라서, 레이저 빔(LB)이 조사되는 영역의 단위 면적당 제공하는 에너지가 큰 것이 바람직할 수 있다.
비정질 실리콘 박막(11)은 융점보다 낮은 온도에서 결정화되는 경우에 결정립계에서 형성되는 비정상적인 돌출상이 감소되어 결정성이 향상될 수 있다. 따라서, 비정질 실리콘 박막(11)을 비정질 실리콘 박막(11)의 융점보다 낮은 온도로 가열하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 비정질 실리콘 박막(11)의 용융 온도가 약 1460℃인 경우, 레이저 빔(LB)은 비정질 실리콘 박막을 약 1300 내지 1400℃의 온도로 가열하도록 제어될 수 있다.
레이저 빔(LB)은 수 나노초(ns)동안 비정질 실리콘 박막(11)에 조사될 수 있다. 비정질 실리콘 박막(11)에 포함되는 비정질 실리콘은 조사되는 레이저 빔(LB)에 의해 온도가 급상승하여 용융된 후 냉각되어 재결정될 수 있다. 이와 같은 방법으로 비정질 실리콘 박막(11)은 레이저 빔(LB)을 통해 다결정 실리콘 박막(12)으로 결정화될 수 있다. 비정질 실리콘 박막(11)의 용융과 재결정이 반복적으로 이루어지며 표면에 요철이 발생하여 표면 거칠기가 증가할 수 있다. 즉, 다결정 실리콘 박막(12)의 표면 거칠기는 비정질 실리콘 박막(11)의 표면 거칠기보다 클 수 있다.
레이저 빔(LB)은 일 방향으로 연장되는 라인 빔 형태로 출사될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 레이저 빔(LB)은 제3 방향(DR3)으로 출사될 수 있다. 레이저 빔(LB)의 라인 형상은 출사 방향인 제3 방향(DR3)과 수직하는 제1 방향(DR1)으로 연장할 수 있다. 레이저 빔(LB)의 연장 방향인 제1 방향(DR1)은 장축 방향, 제1 방향(DR1)으로의 길이는 장축 사이즈(Dx)로 지칭될 수 있다. 장축 사이즈(Dx)가 클수록 더 넓은 영역의 비정질 실리콘 박막(11)을 결정화 시킬 수 있다. 장축 사이즈(Dx)는 후술할 레이저 장치(LD)에 포함된 광학계들에 의해 결정될 수 있다.
또한, 레이저 빔(LB)의 연장 방향에 수직한 두께 방향인 제2 방향(DR2)은 단축 방향, 제2 방향(DR2)으로의 길이는 단축 사이즈(Dy)로 지칭될 수 있다. 단축 사이즈(Dy)가 작을수록 단위 면적당 더 큰 에너지를 비정질 실리콘 박막(11)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(LB)의 단축 사이즈(Dy)는 약 400um 이하이거나, 약 200um 이하이거나, 약 150um 이하이거나 또는 약 100um 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도시되지는 않았지만, 비정질 실리콘 박막(11)이 형성된 기판(10)은 이동 트레이(미도시)상에 위치할 수 있다. 레이저 빔(LB)이 조사되는 동안 이동 트레이(미도시)는 기판(10)을 화살표 방향으로 일정하게 이동하여 기판(10) 상의 비정질 실리콘 박막(11)에 레이저 빔(LB)이 고르게 조사되도록 할 수 있다.
다른 예로, 비정질 실리콘 박막(11)이 형성된 기판(10)은 정지한 채로 레이저 장치(LD)가 이동하며 레이저 빔(LB)을 조사할 수 있다. 또 다른 예로, 레이저 장치(LD) 및 비정질 실리콘 박막(11)이 형성된 기판(10)이 함께 이동하며 레이저 빔(LB)을 조사할 수 있다. 이 때, 레이저 장치(LD)의 이동 속도와 비정질 실리콘 박막(11)이 형성된 기판(10)의 이동 속도는 같을 수 있으나, 이에 제한되지 않고 다른 속도로 이동할 수도 있다.
레이저 장치(LD)로부터 출사된 레이저 빔(LB)은 초점에서 가장 큰 에너지를 제공할 수 있다. 상술한 바와 같이, 레이저 빔(LB)으로부터 제공되는 에너지의 양이 많을수록 비정질 실리콘 박막(11)의 결정화는 효과적으로 이뤄질 수 있다. 따라서, 레이저 빔(LB)의 초점은 효과적인 실리콘 결정화를 위해 비정질 실리콘 박막(11)의 내부에 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(LB)의 초점은 비정질 실리콘 박막(11)의 내부에서 두께 방향 중심에 위치할 수 있으나, 이에 제한되지 않고 박막 내부에서 두께 방향 중심보다 제3 방향(DR3) 일측 또는 타측에 시프트되어 위치할 수도 있다.
실리콘 박막(11, 12)의 상면 및 하면은 요철을 포함할 수 있다. 실리콘 박막(11, 12)의 상면은 제3 방향(DR3) 타측으로 가장 돌출된 고점(HP)을 포함하고, 하면은 제3 방향(DR3) 일측으로 가장 돌출된 저점(LP)을 포함할 수 있다.
비정질 실리콘 박막(11)의 균일한 결정화를 위해서는 영역별로 균일한 에너지를 제공하는 것이 요구된다. 초점면으로부터 레이저 빔(LB)의 초점 심도(DOF, depth of focus) 내에 위치하는 영역에는 대체로 균일한 에너지가 제공될 수 있다. 초점 심도(DOF, depth of focus)는 초점면으로부터 멀어지거나 가까워지더라도 초점이 맞는다고 간주되는 거리를 의미하는데, 레이저 빔(LB)의 초점 심도(DOF, depth of focus)는 그 값이 클수록 초점면에 제공되는 에너지와 실질적으로 동일한 에너지가 제공되는 영역이 넓어질 수 있다. 즉, 레이저 빔(LB)의 초점은 비정질 실리콘 박막(11)의 내부에 형성되며, 레이저 빔(LB)의 초점 심도(DOF, depth of focus)는 적어도 고점(HP) 및 저점(LP)의 단차(d)보다 큰 것이 비정질 실리콘 박막(11)의 균일한 결정화를 위해 바람직할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 레이저 장치에서 레이저 빔의 이동 경로를 나타낸 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 레이저 장치(LD)는 레이저 빔(LB)을 출사하는 레이저 모듈(100), 레이저 빔(LB)을 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로의 사이즈를 확장시켜 출사하는 텔레스코프 렌즈부(200), 레이저 빔(LB)을 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 분할한 복수의 조각 빔을 제1 방향(DR1, 장축 방향)으로 배열하여 출사하는 빔질 인자 변환부(300), 레이저 빔(LB)의 에너지를 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 균일화하는 단축 호모지나이저부(400), 레이저 빔(LB)의 에너지를 제1 방향(DR1, 장축 방향)으로 균일화하는 장축 호모지나이저부(500), 및 레이저 빔(LB)의 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로의 사이즈를 축소시키는 프로젝션 렌즈부(600)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 레이저 모듈(100)로부터 출력된 레이저 빔(LB)은 텔레스코프 렌즈부(200), 빔질 인자 변환부(300), 단축 호모지나이저부(400), 장축 호모지나이저부(500) 및 프로젝션 렌즈부(600)를 순서대로 경유하여 대상 기판(10) 상에 조사될 수 있다. 텔레스코프 렌즈부(200), 빔질 인자 변환부(300), 단축 호모지나이저부(400) 및 프로젝션 렌즈부(600)는 레이저 빔(LB)이 순서대로 경유하도록 위치할 수 있으나, 장축 호모지나이저부(500)의 위치는 이에 제한되지 않는다.
다른 실시예에서, 장축 호모지나이저부(500)는 텔레스코프 렌즈부(200) 및 빔질 인자 변환부(300) 사이에 배치될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 장축 호모지나이저부(500)는 빔질 인자 변환부(300) 및 단축 호모지나이저부(400) 사이에 배치될 수 있다.
레이저 장치(LD)의 레이저 모듈(100)로부터 제1 레이저 빔(LB1)이 출력될 수 있다. 제1 레이저 빔(LB1)은 직진성을 가질 수 있다. 제1 레이저 빔(LB1)은 조사면에 빔 스팟(beam spot)을 형성할 수 있다. 레이저 모듈(100)로부터 출력된 제1 레이저 빔(LB1)의 에너지 분포는 중심부에서 에너지가 높은 가우시안 분포를 가질 수 있다. 제1 레이저 빔(LB1)은 원형 빔으로서, 장축 사이즈(미도시) 및 단축 사이즈(Dy1)는 대체로 동일할 수 있다. 레이저 모듈(100)은 엑시머 레이저, YAG 레이저, 유리 레이저, YVO4 레이저, Ar 레이저, 루비 레이저 등이 사용될 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고 레이저 모듈(100)은 상술한 레이저 이외에도 실리콘을 결정화 할 수 있는 레이저라면 어느 것이라도 사용이 가능함은 물론이다.
이하에서, 상술한 레이저 장치(LD)의 각 부재들에 대해 상세히 설명한다.
도 6은 텔레스코프 렌즈부를 통과하는 레이저 빔을 나타낸 개략도이다. 도 7은 텔레스코프 렌즈부를 통과한 레이저 빔의 에너지에 대한 시뮬레이션 결과이다. 도 8은 빔질 인자 변환부를 통과하는 레이저 빔을 나타낸 개략도이다. 도 9는 빔질 인자 변환부를 통과한 레이저 빔의 에너지에 대한 시뮬레이션 결과이다. 도 10은 단축 호모지나이저를 통과하는 레이저 빔을 나타낸 개략도이다. 도 11은 장축 호모지나이저를 통과하는 레이저 빔을 나타낸 개략도이다. 도 12는 프로젝션 렌즈를 통과하는 레이저 빔을 나타낸 개략도이다.
도 5, 도 6 및 도 7을 참조하면, 제1 레이저 빔(LB1)은 레이저 모듈(100)로부터 출력되어 제3 방향(DR3)을 따라 텔레스코프 렌즈부(200)로 입사될 수 있다. 텔레스코프 렌즈부(200)는 제1 레이저 빔(LB1)을 제2 방향(DR2, 또는 단축 방향)으로 확장시킬 수 있다. 제1 레이저 빔(LB1)은 텔레스코프 렌즈부(200)에 의해 제2 방향(DR2, 또는 단축 방향)으로 확장되어 제2 레이저 빔(LB2)이 될 수 있다. 제2 레이저 빔(LB2)의 단축 사이즈(Dy2)는 제1 레이저 빔(LB1)의 단축 사이즈(Dy1)보다 클 수 있다.
텔레스코프 렌즈부(200)는 제1 텔레스코프 렌즈(210) 및 제2 텔레스코프 렌즈(220)를 포함할 수 있다. 제1 텔레스코프 렌즈(210)는 입사면은 제2 방향(DR2, 단축 방향)을 따라 볼록하고, 출사면은 평면인 원통형 렌즈일 수 있다. 제1 레이저 빔(LB1)은 제1 텔레스코프 렌즈(210)에서 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 굴절되어 초점에 집속된 후 분산될 수 있다.
제1 텔레스코프 렌즈(210)의 제3 방향(DR3) 일측에는 제2 텔레스코프 렌즈(220)가 배치될 수 있다. 제2 텔레스코프 렌즈(220)는 입사면은 평면이고, 출사면은 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 볼록한 원통형 렌즈일 수 있다. 제2 텔레스코프 렌즈(220)는 제1 텔레스코프 렌즈(210)에 의해 굴절되어 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 확산하는 제1 레이저 빔(LB1)을 굴절시켜 제3 방향(DR3)으로 평행한 제2 레이저 빔(LB2)을 출사할 수 있다.
상술한 바와 같이, 텔레스코프 렌즈부(200)는 입사된 제1 레이저 빔(LB1)을 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 확장시켜 제2 레이저 빔(LB2)으로 출사할 수 있다. 제2 레이저 빔(LB2)의 장축 사이즈(Dx2)는 제1 레이저 빔(LB1)의 장축 사이즈(미도시)와 동일할 수 있다. 그러나, 도 7에 도시된 바와 같이 텔레스코프 렌즈부(200)에 의해 확장된 제2 레이저 빔(LB2)의 에너지 밀도는 텔레스코프 렌즈부(200)로 입사된 제1 레이저 빔(LB1)과 마찬가지로 중심부에서 에너지가 높은 가우시안 분포를 가질 수 있다.
효과적인 물질 가공을 위해서는 높은 에너지 밀도를 갖는 라인 빔을 형성하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 집광 또는 포커싱(focusing)하는 과정을 통해 스팟 사이즈를 줄여 레이저 빔(LB)의 단축 사이즈(Dy)를 줄일 필요가 있다.
레이저 빔(LB)은 가우시안(Gaussian) 형태로 진행되는데 스팟 사이즈는 빔 웨이스트에서의 반경(w0)의 2배에 해당하는 크기로 정의된다. 빔 웨이스트는 가우시안 빔의 회절로 인하여 빔의 직경이 최소 수치에 도달하는 영역을 의미할 수 있다. 스팟 사이즈(2w0)는 레이저 빔(LB)의 파장(λ), 렌즈에 입사되는 레이저 빔(LB)의 사이즈(D), 렌즈의 초점거리(F)와 빔질 인자(M2; beam quality factor)의 관계를 통하여 다음의 식 1에 의해 결정될 수 있다.
[식 1]
Figure pat00001
상기 식 1을 참조하면, 빔 사이즈(D)와 렌즈 초점거리(F)를 유지한 채로 빔질 인자(M2)를 줄이면 스팟 사이즈(2w0)를 줄일 수 있다. 빔질 인자(M2)는 레이저 빔(LB)의 집광 특성을 정량적으로 수치화한 것으로서, 이상적인 가우시안 빔으로부터의 변화 정도를 나타내는 척도일 수 있다. 빔질 인자(M2)는 방향에 따라 다양한 값을 가질 수 있다. 예를 들어 레이저 빔(LB)은 제1 방향(DR1, 장축 방향)에 대하여 장축 빔질 인자(Mx2)를 갖고, 제2 방향(DR2, 단축 방향)에 대하여 단축 빔질 인자(My2)를 가질 수 있다. 장축 빔질 인자(Mx2), 단축 빔질 인자(My2), 장축 사이즈(Dx) 및 단축 사이즈(Dy)는 하기 식 2의 관계식을 만족할 수 있다.
[식 2]
Figure pat00002
상기 식 2를 참조하면, 텔레스코프 렌즈부(200)를 통과한 제2 레이저 빔(LB2)은 제1 레이저 빔(LB1)에 비해 단축 사이즈(Dy)가 증가한 만큼 반비례하여, 감소한 단축 빔질 인자(My2)를 가질 수 있다.
도 5, 도 8 및 도 9를 참조하면, 텔레스코프 렌즈부(200)로부터 출사된 제2 레이저 빔(LB2)은 제3 방향(DR3)을 따라 빔질 인자 변환부(300)로 입사될 수 있다. 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 연장하는 라인 빔 형태를 갖는 제2 레이저 빔(LB2)은 빔질 인자 변환부(300)로 입사되어 제1 방향(DR1, 장축 방향)으로 연장하는 라인 빔 형태를 갖는 제3 레이저 빔(LB3)으로 출사될 수 있다.
빔질 인자 변환부(300)는 제2 레이저 빔(LB2)을 반복적으로 반사시켜 반사된 제2 레이저 빔(LB2)의 위치를 일정 거리만큼 이동시키면서 분할하여 일정 크기의 조각 빔을 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 에너지 분포를 갖는 제2 레이저 빔(LB2)을 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 n개의 조각 빔으로 분할하고, 분할된 n개의 조각 빔을 제1 방향(DR1, 장축 방향)으로 배열하여 도 9에 도시된 에너지 분포를 갖는 제3 레이저 빔(LB3)을 출사할 수 있다. 이를 통해, 장축 빔질 인자(Mx2) 및 단축 빔질 인자(My2)를 유지하면서 장축 사이즈(Dx) 및 단축 사이즈(Dy)를 상호 변환시킬 수 있다. 즉, 빔질 인자 변환부(300)는 제2 레이저 빔(LB2)을 제공받아, 제2 레이저 빔(LB2)의 장축 빔질 인자(Mx2) 및 단축 빔질 인자(My2)를 유지하면서 장축 사이즈(Dx) 및 단축 사이즈(Dy)를 상호 변환시킨 제3 레이저 빔(LB3)을 출사할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제3 레이저 빔(LB3)의 단축 사이즈(Dy3)는 제2 레이저 빔(LB2)의 장축 사이즈(Dx2)와 실질적으로 동일하고, 제3 레이저 빔(LB3)의 장축 사이즈(Dx3)는 제2 레이저 빔(LB2)의 단축 사이즈(Dy2)와 실질적으로 동일할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 5 및 도 10을 참조하면, 빔질 인자 변환부(300)로부터 출사된 제3 레이저 빔(LB3)은 단축 호모지나이저부(400)에 입사될 수 있다. 단축 호모지나이저부(400)는 제1 단축 호모지나이저(410), 제2 단축 호모지나이저(420) 및 제3 단축 호모지나이저(430)를 포함할 수 있다. 단축 호모지나이저부(400)는 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 가우시안 분포의 에너지 밀도를 갖는 제3 레이저 빔(LB3)을 입력 받아 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 균일한 에너지 밀도를 갖는 제4 레이저 빔(LB4)을 출사할 수 있다.
제1 단축 호모지나이저(410)는 입사면은 제2 방향(DR2, 단축 방향)을 따라 볼록하고, 출사면은 평면 구조인 원통 렌즈 어레이일 수 있다. 원통 렌즈 어레이는 제2 방향(DR2, 단축 방향)을 따라 구성된 복수의 원통 렌즈가 연속하여 배치된 구조일 수 있다. 원통 렌즈는 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈를 포함할 수 있다. 제3 레이저 빔(LB3)은 제1 단축 호모지나이저(410)에 입사되어 원통 렌즈 어레이의 각 원통 렌즈에 의해 굴절되어 복수의 빔으로 분할될 수 있다.
제1 단축 호모지나이저(410)의 배면에는 제2 단축 호모지나이저(420)가 배치될 수 있다. 제1 단축 호모지나이저(410)의 초점 거리는 제1 단축 호모지나이저(410)와 제2 단축 호모지나이저(420)의 이격 거리보다 짧을 수 있다. 분할된 각 빔은 제1 단축 호모지나이저(410)의 초점에 집속된 후 다시 분산되어 제2 단축 호모지나이저(420)로 입사될 수 있다.
제2 단축 호모지나이저(420)의 입사면은 평면이고, 출사면은 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 볼록한 원통 렌즈 어레이일 수 있다. 제2 단축 호모지나이저(420)는 제1 단축 호모지나이저(410)에 의해 굴절되어 분리된 빔을 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 확산시킬 수 있다.
제2 단축 호모지나이저(420)의 배면에는 제3 단축 호모지나이저(430)가 배치될 수 있다. 제3 단축 호모지나이저(430)는 입사면은 평면이고, 출사면은 제2 방향(DR2, 단축 방향)을 따라 볼록한 원통 렌즈일 수 있다. 제3 단축 호모지나이저(430)는 제2 단축 호모지나이저(420)에 의해 결합되고 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 확산되는 빔을 굴절시켜 평행한 제4 레이저 빔(LB4)을 제3 방향(DR3)으로 출사시킬 수 있다. 제3 단축 호모지나이저(430)로부터 출사되는 제4 레이저 빔(LB4)은 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 균일한 에너지 밀도를 가질 수 있다. 제4 레이저 빔(LB4)의 단축 사이즈(Dy4)는 제3 레이저 빔(LB3)의 단축 사이즈(Dy3)와 실질적으로 동일할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제3 단축 호모지나이저(430)를 통과한 제4 레이저 빔(LB4)은 제1 서브 초점면(OS1)에서 초점이 형성될 수 있다. 제1 서브 초점면(OS1)에 입사되는 제4 레이저 빔(LB4)은 제3 단축 호모지나이저(430)에서 출사되는 위치에 따라 서로 다른 입사각으로 조사될 수 있다. 제1 서브 초점면(OS1)의 어느 한 지점을 기준으로 입사되는 제4 레이저 빔(LB4)의 최대 입사각의 차는 제1 발산각(θ1)으로 표시될 수 있다. 제1 발산각(θ1)은 제3 단축 호모지나이저(430)를 통과한 제4 레이저 빔(LB4)이 제1 서브 초점면(OS1)에 조사되는 경우, 제4 레이저 빔(LB4)의 최대 입사각 차이를 의미할 수 있다.
비교 실시예로서, 빔질 인자 변환부(300)를 사용하지 않고 텔레스코프 렌즈부(200) 만을 이용하여 제1 레이저 빔(LB1)을 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 확장시켜 단축 호모지나이저부(400)를 통과한 경우, 제4a 레이저 빔(LB4a)이 출력될 수 있다. 제3 단축 호모지나이저(430)로부터 출력된 제4a 레이저 빔(LB4a)은 제3 단축 호모지나이저(430)로부터의 거리가 제1 서브 초점면(OS1)보다 가까운 제2 서브 초점면(OS2)에서 초점이 형성될 수 있다. 제4 레이저 빔(LB4)은 제1 방향(DR1, 장축 방향)을 기준으로 제2 발산각(θ2)의 각도로 조사될 수 있다.
제4 레이저 빔(LB4)의 출사 조건이 동일하다면, 제3 단축 호모지나이저(430)와 제4 레이저 빔(LB4)의 초점이 형성되는 서브 초점면(OS1, OS2) 간의 이격 거리가 멀수록 제4 레이저 빔(LB4)의 발산각(θ1, θ2)이 더 작을 수 있다. 제4 레이저 빔(LB4)의 발산각(θ1, θ2)이 작은 경우, 레이저 빔(LB)의 입사각에 따른 편차가 적어 초점 심도(DOF, depth of focus)가 커져 비정질 실리콘 박막(11)의 결정화 품질이 우수해질 수 있다.
도 5 및 도 11을 참조하면, 단축 호모지나이저부(400)를 통과한 제4 레이저 빔(LB4)은 장축 호모지나이저부(500)로 입사될 수 있다. 장축 호모지나이저부(500)는 제1 장축 호모지나이저(510), 제2 장축 호모지나이저(520) 및 제3 장축 호모지나이저(430)를 포함할 수 있다. 장축 호모지나이저부(500)는 제1 방향(DR1, 장축 방향)으로 가우시안 분포의 에너지 밀도를 갖는 제4 레이저 빔(LB4)을 입력 받아 제1 방향(DR1, 장축 방향)으로 균일한 에너지 밀도를 갖는 제5 레이저 빔(LB5)으로 변경한다.
제1 장축 호모지나이저(510)는 입사면은 제1 방향(DR1, 장축 방향)을 따라 볼록하고, 출사면은 평면인 원통 렌즈 어레이일 수 있다. 원통 렌즈 어레이는 제1 방향(DR1, 장축 방향)을 따라 구성된 복수의 원통 렌즈가 연속하여 배치된 구조일 수 있다. 원통 렌즈는 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈를 포함할 수 있다. 입사된 제4 레이저 빔(LB4)은 제1 장축 호모지나이저(510)에 입사되어 원통 렌즈 어레이의 개별 원통 렌즈에 의해 굴절되어 복수의 빔으로 분할될 수 있다.
제1 장축 호모지나이저(510) 배면에는 제2 장축 호모지나이저(520)가 배치될 수 있다. 제2 장축 호모지나이저(520)는 입사면은 평면이고, 출사면은 제1 방향(DR1, 장축 방향)을 따라 볼록한 원통 렌즈 어레이일 수 있다. 제1 장축 호모지나이저(510)의 초점 거리는 제1 장축 호모지나이저(510)와 제2 장축 호모지나이저(520)의 이격 거리보다 짧을 수 있다. 제1 장축 호모지나이저(510)에 의해 분할된 각 빔은 제1 장축 호모지나이저(510)의 초점에 집속된 후 다시 분산되어 제2 장축 호모지나이저(520)로 입사될 수 있다.
제2 장축 호모지나이저(520)의 배면에는 제3 장축 호모지나이저(530)가 배치될 수 있다. 제3 장축 호모지나이저(530)의 입사면은 평면이고 출사면은 제1 방향(DR1, 장축 방향)을 따라 볼록한 볼록 렌즈 일 수 있다. 제3 장축 호모지나이저(530)는 제1 방향(DR1, 장축 방향)으로 확산되는 빔을 제1 방향(DR1, 장축 방향)으로 굴절시켜 평행한 제5 레이저 빔(LB5)으로 출사할 수 있다. 제3 장축 호모지나이저(530)에서 출사되는 제5 레이저 빔(LB5)은 제1 방향(DR1, 장축 방향)으로 균일한 에너지 밀도를 가질 수 있다. 제3 장축 호모지나이저(530)를 통과한 제5 레이저 빔(LB5)은 제1 초점면(IS1)에서 초점이 형성될 수 있다. 제1 초점면(IS1)에서의 제5 레이저 빔(LB5)의 장축 사이즈(Dx)는 제4 레이저 빔(LB4)의 장축 사이즈(Dx4)와 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 초점면(IS1)에는 비정질 실리콘 박막(11)의 표면이 위치할 수 있다. 즉, 제1 서브 초점면(OS1)에서의 장축 사이즈(Dx)는 비정질 실리콘 박막(11) 상에 형성되는 레이저 빔(LB)의 장축 사이즈(Dx)와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 5 및 도 12를 참조하면, 제1 서브 초점면(OS1)을 통과한 제5 레이저 빔(LB5)은 프로젝션 렌즈부(600)에 입사될 수 있다. 제5 레이저 빔(LB5)은 도 10을 참조하여 상술한 제4 레이저 빔(LB4)이 제1 서브 초점면(OS1)을 통과한 것으로서, 제4 레이저 빔(LB4)과 실질적으로 동일할 수 있다. 프로젝션 렌즈부(600)는 제5 레이저 빔(LB5)을 제공받아 제1 초점면(IS1)에서 단축 사이즈(Dy)가 감소한 제6 레이저 빔(LB6)을 출사할 수 있다. 제6 레이저 빔(LB6)의 제1 초점면(IS1)에서의 단축 사이즈(Dy)는 제5 레이저 빔(LB5)의 제1 서브 초점면(OS1)에서의 단축 사이즈(Dy4) 보다 작을 수 있다. 제1 초점면(IS1)에는 비정질 실리콘 박막(11)의 표면이 위치할 수 있다. 즉, 제1 서브 초점면(OS1)에서의 단축 사이즈(Dy)는 비정질 실리콘 박막(11) 상에 형성되는 레이저 빔(LB)의 단축 사이즈(Dy)와 실질적으로 동일할 수 있다.
프로젝션 렌즈부(600)는 입사면 및 출사면이 제2 방향(DR2, 단축 방향)으로 볼록한 원통 렌즈일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 프로젝션 렌즈부(600)에 입사된 제5 레이저 빔(LB5)은 프로젝션 렌즈부(600)에 의해 굴절 및 출사되어 제1 초점면(IS1)에서 초점을 형성할 수 있다.
제5 레이저 빔(LB5)은 제3 발산각(θ3)을 갖고 제1 서브 초점면(OS1)으로부터 프로젝션 렌즈부(600)로 입사할 수 있다. 프로젝션 렌즈부(600)로부터 출사한 제6 레이저 빔(LB6)은 제5 발산각(θ5)을 갖고 제1 초점면(IS1)으로 입사할 수 있다.
제1 초점면(IS1)에서의 초점 심도(DOF1)가 형성될 수 있다. 초점 심도(DOF1)는 제5 발산각(θ5)의 크기에 반비례할 수 있다. 상술한 바와 같이, 초점 심도(DOF1)는 제1 초점면(IS1)으로부터 멀어지거나 가까워지더라도 초점이 맞는다고 간주되는 거리를 의미한다. 즉, 제1 초점면(IS1)으로부터 레이저 빔(LB)의 초점 심도(DOF1) 내에 위치하는 영역에는 대체로 균일한 에너지가 제공될 수 있다.
비교 실시예로서, 제2 서브 초점면(OS2)을 통과한 제5a 레이저 빔(LB5a)이 프로젝션 렌즈부(600)에 입사한 경우에 대해 설명한다. 제5a 레이저 빔(LB5a)은 도 10을 참조하여 상술한 제4a 레이저 빔(LB4a)과 실질적으로 동일할 수 있다. 제5a 레이저 빔(LB5a)은 제4 발산각(θ4)을 갖고 제2 서브 초점면(OS2)으로부터 프로젝션 렌즈부(600)로 입사할 수 있다. 프로젝션 렌즈부(600)로부터 출사한 제6a 레이저 빔(LB6a)은 제6 발산각(θ6)을 갖고 제2 초점면(IS2)으로 입사할 수 있다.
제2 초점면(IS2)에서의 초점 심도(DOF2)가 형성될 수 있다. 초점 심도(DOF2)는 제6 발산각(θ6)의 크기에 반비례할 수 있다. 상술한 바와 같이, 초점 심도(DOF2)는 제2 초점면(IS2)으로부터 멀어지거나 가까워지더라도 초점이 맞는다고 간주되는 거리를 의미한다. 즉, 제2 초점면(IS2)으로부터 레이저 빔(LB)의 초점 심도(DOF1) 내에 위치하는 영역에는 대체로 균일한 에너지가 제공될 수 있다.
제6 발산각(θ6)은 제5 발산각(θ5)보다 작은 값을 가질 수 있다. 따라서, 제6a 레이저 빔(LB6a)의 초점 심도(DOF2)는 제6 레이저 빔(LB6)의 초점 심도(DOF1)보다 작을 수 있다.
즉, 빔질 인자 변환부(300) 및 단축 호모지나이저부(400)를 모두 사용한 일 실시예에 따른 레이저 장치(LD)는 단축 호모지나이저부(400)만을 사용한 레이저 장치(LD)보다 더 큰 초점 심도를 갖는 레이저 빔(LB)을 출사할 수 있다. 따라서, 비정질 실리콘 박막(11)의 영역별로 균일한 에너지를 제공하여 결정화가 균일하게 이뤄지도록 할 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 레이저 장치 레이저 빔의 에너지 프로파일 그래프이다. 도 14 및 도 15는 비교 실시예에 따른 레이저 장치 레이저 빔의 에너지 프로파일 그래프이다.
도 13 내지 도 15는 일 실시예에 따른 레이저 장치(LD)로부터 출사되는 레이저 빔(LB)의 단축 사이즈를 약 100um 수준으로 감소시켰을 때 나타나는 에너지를 초점면 및 디포커싱(defocusing)하여 상기 초점면보다 먼 거리와 가까운 거리에서 각각 측정하여 나타낸 것이다. 도 13은 일 실시예에 따른 레이저 장치(LD)로서, 빔질 인자 변환부(300) 및 단축 호모지나이저부(400) 모두를 이용한 레이저 장치(LD)를 통해 출사한 레이저 빔(LB)의 에너지 프로파일에 대한 결과이다. 도 14는 빔질 인자 변환부(300)를 생략하고 단축 호모지나이저부(400)만을 이용한 레이저 장치로부터 출사한 레이저 빔(LB)에 대한 결과이고, 도 15는 단축 호모지나이저부(400)를 생략하고 빔질 인자 변환부(300)만을 이용한 레이저 장치로부터 출사한 레이저 빔(LB)에 대한 결과이다.
도 13 내지 도 15를 참조하면, 단축 사이즈를 약 100um 수준으로 감소시킬 경우, 일 실시예에 따른 레이저 장치(LD)를 이용하여 출사한 레이저 빔(LB)은 단축 방향으로 균일한 에너지를 나타내는 플랫 탑(flat top) 에너지 프로파일을 형성함을 확인할 수 있다.
빔질 인자 변환부(300)를 생략하고 단축 호모지나이저부(400)만을 이용한 레이저 장치로부터 출사한 레이저 빔(LB)은 단축 사이즈를 약 100um 수준으로 감소시킬 경우, 초점 심도가 일 실시예에 따른 레이저 장치(LD)를 이용하여 출사한 레이저 빔(LB)보다 작으며, 디포커싱(defocusing) 시, 플랫 탑(flat top) 에너지 프로파일이 형성되지 않음을 확인할 수 있다.
따라서, 단축 사이즈가 약 100um 수준에서 일 실시예에 따른 레이저 장치(LD)를 이용하여 비정질 실리콘 박막(11)을 결정화할 경우, 단축 호모지나이저부(400)만을 이용한 레이저 장치를 이용하여 비정질 실리콘 박막(11)을 결정화하는 경우보다 영역별로 균일한 결정화가 이뤄질 수 있다.
단축 호모지나이저부(400)를 생략하고 빔질 인자 변환부(300)만을 이용한 레이저 장치로부터 출사한 레이저 빔(LB)은 단축 사이즈를 약 100um 수준으로 감소시킬 경우, 초점 심도가 단축 호모지나이저부(400)만을 이용한 레이저 장치로부터 출사한 레이저 빔(LB)보다는 크지만 일 실시예에 따른 레이저 장치(LD)를 이용하여 출사한 레이저 빔(LB)보다 작을 수 있다. 또한, 디포커싱(defocusing) 시, 에너지 강도의 변화가 도 13의 경우보다 클 수 있다.
따라서, 단축 사이즈가 약 100um 수준에서 일 실시예에 따른 레이저 장치(LD)를 이용하여 비정질 실리콘 박막(11)을 결정화할 경우, 빔질 인자 변환부(300)만을 이용한 레이저 장치를 이용하여 비정질 실리콘 박막(11)을 결정화하는 경우보다 영역별로 균일한 결정화가 이뤄질 수 있다.
일 실시예에 따른 레이저 장치(LD)에 의하면, 좁은 단축 사이즈(Dy)를 형성하여 높은 에너지 밀도를 가지며, 충분한 초점 심도를 확보하여 단축 방향 영역별로 균일한 에너지를 갖는 레이저 빔(LB)을 제공할 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 표시 장치의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 16을 참조하면, 일 실시예에 따른 표시 장치의 제조 방법은 비정질 반도체층이 배치된 대상 기판을 준비하는 단계(S100) 및 비정질 반도체층에 레이저 빔을 조사하여 비정질 반도체층을 결정화하는 단계(S200)를 포함할 수 있다. 여기서, 비정질 반도체층은 도 3 및 도 4에 도시된 비정질 실리콘 박막(11)을 의미할 수 있다.
비정질 반도체층에 레이저 빔을 조사하여 비정질 반도체층을 결정화하는 단계(S200)는 도 3 내지 도 12를 참조하여 상술한 일 실시예에 따른 레이저 장치(LD)를 이용하여 비정질 실리콘 박막(11)에 레이저 빔(LB)을 조사하는 과정과 동일하다.
이상에서 본 발명의 실시예를 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 기판
11: 비정질 실리콘 박막
12: 다결정 실리콘 박막
100: 레이저 모듈
200: 텔레스코프 렌즈부
300: 빔질 인자 변환부
400: 단축 호모지나이저
500: 장축 호모지나이저
600: 프로젝션 렌즈

Claims (20)

  1. 레이저 빔을 출사하는 레이저 모듈;
    상기 레이저 모듈로부터 출사된 상기 레이저 빔을 상기 출사 방향과 교차하는 제1 방향으로의 사이즈를 확장시켜 출사하는 제1 광학계;
    상기 제1 광학계로부터 출사된 상기 레이저 빔을 상기 제1 방향으로 분할한 복수의 조각 빔을 상기 출사 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 배열하여 출사하는 제2 광학계;
    상기 제2 광학계로부터 출사된 상기 레이저 빔의 에너지를 상기 제1 방향으로 균일화하는 제3 광학계; 및
    상기 제3 광학계로부터 출사된 상기 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 사이즈를 축소시키는 제4 광학계를 포함하는 레이저 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 광학계는 상기 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 사이즈 및 상기 제2 방향으로의 사이즈를 상호 교환시켜 출사하는 레이저 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 광학계는 상기 레이저 빔의 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로의 빔질 인자를 유지하며 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로의 사이즈를 상호 교환시키는 레이저 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 광학계는,
    일측면은 상기 제1 방향으로 볼록하고 타측면은 평면 구조인 원통 렌즈 어레이를 포함하는 제1 단축 호모지나이저,
    상기 제1 단축 호모지나이저의 타측에 배치되며, 일측면은 평면 구조이고 타측면은 상기 제1 방향으로 볼록한 원통 렌즈 어레이를 포함하는 제2 단축 호모지나이저, 및
    상기 제2 단축 호모지나이저의 타측에 배치되며, 일측면은 평면 구조이고 타측면은 상기 제1 방향으로 볼록한 렌즈를 포함하는 제3 단축 호모지나이저를 포함하는 레이저 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 단축 호모지나이저, 상기 제2 단축 호모지나이저 및 상기 제3 단축 호모지나이저는 상기 제2 방향으로 연장하는 레이저 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 에너지를 상기 제2 방향으로 균일화하는 제5 광학계를 더 포함하는 레이저 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제5 광학계는,
    일측면은 상기 제2 방향으로 볼록하고 타측면은 평면 구조인 원통 렌즈 어레이를 포함하는 제1 장축 호모지나이저,
    상기 제1 장축 호모지나이저의 타측에 배치되며, 일측면은 평면 구조이고 타측면은 상기 제2 방향으로 볼록한 원통 렌즈 어레이를 포함하는 제2 장축 호모지나이저, 및
    상기 제2 장축 호모지나이저의 타측에 배치되며, 일측면은 평면 구조이고 타측면은 상기 제2 방향으로 볼록한 렌즈를 포함하는 제3 장축 호모지나이저를 포함하는 레이저 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 장축 호모지나이저, 상기 제2 장축 호모지나이저 및 상기 제3 장축 호모지나이저는 상기 제1 방향으로 연장하는 레이저 장치.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 제5 광학계에는 상기 제2 광학계를 거친 상기 레이저 빔이 입사되는 레이저 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제4 광학계는 상기 제2 방향으로 연장하며 일면이 상기 제1 방향으로 볼록한 원통형 볼록렌즈를 포함하는 레이저 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제4 광학계로부터 출사되는 상기 레이저 빔은 대상 기판의 상면에서 초점이 형성되는 레이저 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 상기 대상 기판의 상면에서 플랫탑 형태의 에너지 프로파일을 형성하는 레이저 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 대상 기판의 상면에 조사되는 상기 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 폭은 150um 이하인 레이저 장치.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광학계를 통과하기 이전의 상기 레이저 빔은 상기 제2 방향에 대한 빔질 인자는 유지되되, 상기 제1 방향에 대한 빔질 인자는 감소하는 레이저 장치.
  15. 비정질 반도체층이 배치된 대상 기판을 준비하는 단계; 및
    상기 비정질 반도체층에 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 반도체층을 결정화하는 단계를 포함하되,
    상기 레이저 빔을 조사하는 단계는,
    제1 레이저 빔을 출사하는 단계,
    상기 제1 레이저 빔을 상기 제1 레이저 빔의 출사 방향과 수직한 제1 방향으로 확장시킨 제2 레이저 빔으로 변환하는 단계,
    상기 제2 레이저 빔을 상기 제1 방향으로 분할한 복수의 조각 빔을 상기 출사 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 배열한 제3 레이저 빔으로 변환하는 단계,
    상기 제3 레이저 빔의 에너지를 상기 제1 방향으로 균일화한 제4 레이저 빔을 생성하는 단계, 및
    상기 제4 레이저 빔의 상기 제1 방향의 사이즈를 축소시킨 제5 레이저 빔을 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 비정질 반도체층에는 상기 제5 레이저 빔이 조사되는 표시 장치의 제조 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔을 상기 제1 방향으로 분할한 복수의 조각 빔을 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 배열한 제3 레이저 빔으로 변환하는 단계는 상기 제2 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 사이즈 및 상기 제2 방향으로의 사이즈를 상호 교환시키는 단계를 포함하는 표시 장치의 제조 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔을 상기 제1 방향으로 분할한 복수의 조각 빔을 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 배열한 제3 레이저 빔으로 변환하는 단계에서, 상기 제2 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 빔질 인자 및 상기 제2 방향으로의 빔질 인자는 유지되는 표시 장치의 제조 방법.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 제5 레이저 빔은 상기 비정질 반도체층 내부에서 초점이 형성되는 표시 장치의 제조 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 제5 레이저 빔의 상기 초점에서의 에너지 프로파일은 플랫탑 형상을 갖는 표시 장치의 제조 방법.
  20. 제15 항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔을 상기 제1 방향으로 분할한 복수의 조각 빔을 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 배열한 제3 레이저 빔으로 변환하는 단계 이후에,
    상기 제3 레이저 빔의 에너지를 상기 제2 방향으로 균일화하는 단계를 더 포함하는 표시 장치의 제조 방법.
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KR1020200056934A KR20210141799A (ko) 2020-05-13 2020-05-13 레이저 장치 및 표시 장치의 제조 방법

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DE102022127668A1 (de) 2021-10-22 2023-04-27 SL Mirrortech Pfützenlampe für ein Fahrzeug
WO2024076653A1 (en) * 2022-10-06 2024-04-11 Kla Corporation Systems and methods for generating a flat-top illumination beam based on interlacing, incoherently overlapping spots

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