WO2023282587A1 - 레이저 열처리장치 및 레이저 열처리방법 - Google Patents

레이저 열처리장치 및 레이저 열처리방법 Download PDF

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김승환
김재용
성진우
박종갑
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에이피에스리서치 주식회사
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Definitions

  • the laser irradiation angle of the first laser head and the laser irradiation angle of the second laser head may be differently adjusted through the irradiation angle adjusting unit. Through this, it is possible to prevent problems such as damage to the optical system that may occur when each laser reflected from the surface of the object to be processed is incident to a laser head unit different from the emitted laser head unit.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining scanning of a first laser and a second laser in simultaneous driving of a first laser head and a second laser head according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a conceptual diagram for explaining the configuration of the first laser source unit according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 (a) shows an integrated optical fiber cable method in which each optical fiber cable is integrated
  • Figure 2 (b) represents the mirror coupling method for each wavelength of laser through each fiber optic cable.
  • the first laser source unit 115 and/or the second laser source unit 125 may perform the heat treatment process even with a relatively low output.
  • the first wavelength laser 11a Absorptivity eg, absorption of the second wavelength laser and/or the third wavelength laser
  • the first laser source unit 115 or the first wavelength laser, the second wavelength laser and/or Alternatively, heat treatment may be possible even with a relatively low output (of the third wavelength laser).
  • the second optical fiber cable 20 may be provided between the second laser source unit 125 and the second laser head unit 120, and the second laser 12 generated from the second laser source unit 125 may be transmitted to the second laser head unit 120. At this time, the second optical fiber cable 20 may be connected to the second laser head 120 through the second connector 123 .
  • the second connector 123 may include a collimator to collect the second laser 12 from the second fiber optic cable 20 and deliver it to the second laser head 120 .
  • the laser was transmitted using a beam delivery optical system (only), and when the laser head is moved due to the fixed installation of the beam delivery optical system, the beam alignment of the laser is misaligned or the beam path that fixes the laser head while providing a beam path
  • the movement of the laser head unit was limited by the housing.
  • the second laser 12 since the second laser 12 has a long wavelength and can be transmitted without being absorbed into the object 50, free electrons or free carriers are formed in the object 50 through the first laser 11 The absorption rate of the second laser 12 may be increased.
  • the heating means of the stage 150 was used as a method of forming free carriers for internal absorption of the target object 50, but in the present invention, by forming free carriers through the first laser 11, the stage 150 ) may not require heating means.
  • the second laser 12 may be a laser having a wavelength (eg, a long wavelength) having energy less than silicon (Si) band gap energy (about 1.2 eV), and generally silicon ( Si) can be transmitted without being absorbed inside. Accordingly, the absorptance of the second laser 12 may be increased by forming free electrons on the surface of the semiconductor (ie, the object to be processed) through the first laser 11 having a wavelength of visible light (eg, RGB).
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating scanning of a first laser and a second laser in simultaneous driving of a first laser head and a second laser head according to an embodiment of the present invention.
  • the laser heat treatment apparatus 100 has an irradiation angle adjustment unit (not shown); may further include.
  • the wavelength of the first laser may be varied according to the target depth for activation.
  • the heat treatment depth (or penetration depth) may vary according to the wavelength of the first laser, and the longer the wavelength, the lower the absorption rate and the deeper the penetration depth.
  • the wavelength of the first laser can be varied so that impurities can be activated to a target depth for activation, and the first laser can generate free electrons or free carriers up to the penetration depth (or the heat treatment depth).
  • the heat treatment depth may be determined according to the penetration depth corresponding to the variable (or selected) wavelength of the first laser, and free electrons or free carriers may be generated up to the penetration depth, and impurities may be activated.
  • the intensity (or output) of the first laser may be determined by energy capable of generating free electrons or free carriers, and the beam size and scan speed may be determined according to the energy capable of generating free electrons or free carriers. speed) may be determined.
  • the second laser may be a laser having a wavelength (eg, a long wavelength) having an energy smaller than a silicon (Si) band gap energy (about 1.2 eV), and generally silicon (Si) It can permeate without being absorbed inside. Accordingly, the absorbance of the second laser may be increased by forming free electrons on the surface of the semiconductor (ie, the object to be processed) through the first laser having a wavelength of visible light (eg, RGB).
  • the laser heat treatment method according to the present invention may further include a step of adjusting the laser irradiation angle of the first laser head and the laser irradiation angle of the second laser head (S70).

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Abstract

본 발명은 피처리물의 다양한 두께 및 피처리물에 대한 다양한 공정에 대응 가능한 레이저 열처리장치 및 레이저 열처리방법에 관한 것이며, 상기 레이저 열처리장치는 피처리물을 지지하는 스테이지; 제1 레이저 소스부와 연결되어, 상기 피처리물에 제1 레이저를 조사하는 제1 레이저헤드부; 제2 레이저 소스부와 연결되어, 상기 피처리물에 상기 제1 레이저보다 긴 파장을 갖는 제2 레이저를 조사하는 제2 레이저헤드부; 및 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 구동을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제1 레이저의 파장은 상기 제어부에 의해 가변 가능할 수 있다.

Description

레이저 열처리장치 및 레이저 열처리방법
본 발명은 레이저 열처리장치 및 레이저 열처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피처리물의 다양한 두께 및 피처리물에 대한 다양한 공정에 대응 가능한 레이저 열처리장치 및 레이저 열처리방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조는 실리콘(Si) 웨이퍼 등의 반도체 웨이퍼를 열처리(annealing)하는 과정들이 필요하며, 이러한 열처리는 불순물 활성화(dopant activation) 및 용융(melting)에 의한 결정화(crystallization)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 불순물 활성화는 이온주입에 의하여 반도체 웨이퍼에 불순물(dopant)을 도입하고 레이저 빔을 조사하여 도입된 불순물을 활성화시킬 수 있다. 그리고 용융에 의한 결정화는 비정질 실리콘(α-Si)에 레이저 빔을 조사하여 용융 및 결정화시킴으로써 결정질 실리콘(예를 들어, 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘)을 형성할 수 있다.
종래에는 레이저 기반의 불순물 활성화에서 불순물의 확산 깊이를 조절하는 데에 한계가 존재하여 의도치 않은 깊이까지 불순물이 확산하여 반도체 소자 내 누설 전류가 증가하거나, 최근에 반도체 소자 크기의 미세화에 따른 미세 접합(shallow junction)을 형성하는 데에 어려움이 있었다.
또한, 최근에는 반도체 소자의 제조 시 박막 형성 과정에서 단차 피복(step coverage)에 의해 기공(void)이 발생할 수 있어 레이저를 이용한 용융 공정을 통해 반도체 소자 내의 기공을 제거하기 위한 레이저 열처리 기술 개발이 요구되고 있다.
(특허문헌 1) 공개특허 제10-2004-0046644호
본 발명은 피처리물의 열처리 깊이 조절이 가능하면서 비용융 공정 및 용융 공정이 가능한 레이저 열처리장치 및 레이저 열처리방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 열처리장치는 피처리물을 지지하는 스테이지; 제1 레이저 소스부와 연결되어, 상기 피처리물에 제1 레이저를 조사하는 제1 레이저헤드부; 제2 레이저 소스부와 연결되어, 상기 피처리물에 상기 제1 레이저보다 긴 파장을 갖는 제2 레이저를 조사하는 제2 레이저헤드부; 및 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 구동을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제1 레이저의 파장은 상기 제어부에 의해 가변 가능할 수 있다.
상기 제1 레이저 소스부는, 청색 파장대역의 제1 파장 레이저를 발생시키는 제1 파장 레이저광원; 녹색 파장대역의 제2 파장 레이저를 발생시키는 제2 파장 레이저광원; 및 적색 파장대역의 제3 파장 레이저를 발생시키는 제3 파장 레이저광원을 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1 파장 레이저광원, 상기 제2 파장 레이저광원 및 상기 제3 파장 레이저광원 중 하나 이상을 선택적으로 구동하여 상기 제1 레이저의 파장을 가변시킬 수 있다.
상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부를 이동시키는 헤드 이동부; 상기 제1 레이저 소스부와 상기 제1 레이저헤드부의 사이에 제공되는 제1 광섬유 케이블; 및 상기 제2 레이저 소스부와 상기 제2 레이저헤드부의 사이에 제공되는 제2 광섬유 케이블;을 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부 중 어느 하나의 선택적 구동 또는 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 동시 구동으로 제어할 수 있다.
상기 제1 레이저의 빔 사이즈는 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 동시 구동에서 상기 제2 레이저의 빔 사이즈 이상일 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 동시 구동에서 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 스캔을 제어하여, 상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저를 중첩시키거나, 상기 제1 레이저를 상기 제2 레이저보다 스캔방향의 전방에 위치시킬 수 있다.
상기 제1 레이저헤드부의 레이저 조사각도와 상기 제2 레이저헤드부의 레이저 조사각도를 각각 조절하는 조사각 조정부;를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 복수의 영역으로 구분하여 영역별로 스캔 조건을 상이하게 상기 제2 레이저헤드부의 스캔을 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 열처리방법은 파장이 가변 가능한 제1 레이저를 조사하는 제1 레이저헤드부와 상기 제1 레이저보다 긴 파장을 갖는 제2 레이저를 조사하는 제2 레이저헤드부 중 적어도 어느 하나의 레이저헤드부를 선택하는 과정; 및 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부 중에서 선택된 레이저 헤드부에서 상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저 중 각 레이저 헤드부에 대응되는 레이저를 피처리물에 조사하는 과정;을 포함할 수 있다.
청색 파장대역의 제1 파장 레이저를 발생시키는 제1 파장 레이저광원, 녹색 파장대역의 제2 파장 레이저를 발생시키는 제2 파장 레이저광원 및 적색 파장대역의 제3 파장 레이저를 발생시키는 제3 파장 레이저광원 중 하나 이상을 선택적으로 구동하여 상기 제1 레이저의 파장을 가변시키는 과정;을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 구동을 선택적 구동 또는 동시 구동으로 설정하는 과정;을 더 포함하고, 상기 적어도 어느 하나의 레이저헤드부를 선택하는 과정에서는 설정된 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 구동에 따라 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부 중에서 선택할 수 있다.
상기 선택적 구동 또는 동시 구동으로 설정하는 과정에서는, 상기 피처리물의 적어도 일부를 활성화시키는 경우에 상기 동시 구동으로 설정할 수 있다.
상기 제1 레이저에 의해 자유 캐리어를 생성하는 과정; 및 상기 제2 레이저를 흡수하여 상기 피처리물 내의 불순물을 활성화시키는 과정;을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 레이저헤드부의 레이저 조사각도와 상기 제2 레이저헤드부의 레이저 조사각도를 각각 조절하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
상기 선택적 구동 또는 동시 구동으로 설정하는 과정에서는, 상기 피처리물의 적어도 일부를 활성화시키는 경우에 상기 제1 레이저헤드부의 선택적 구동으로 설정할 수 있다.
상기 제1 레이저의 파장을 가변시키는 과정에서는 활성화를 위한 목표 깊이에 따라 상기 제1 레이저의 파장을 가변시킬 수 있다.
상기 선택적 구동 또는 동시 구동으로 설정하는 과정에서는, 상기 피처리물을 적어도 부분적으로 결정화시키는 경우에 상기 제1 레이저헤드부의 선택적 구동으로 설정할 수 있다.
상기 제1 레이저의 파장을 가변시키는 과정에서는 결정화를 위한 목표 깊이에 따라 상기 제1 레이저의 파장을 가변시킬 수 있다.
상기 선택된 레이저 헤드부를 이동시켜 상기 피처리물을 스캔하는 과정;을 더 포함하고, 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부는 광섬유 케이블에 의해 상기 제1 레이저를 생성하기 위한 제1 레이저 소스부와 상기 제2 레이저를 생성하기 위한 제2 레이저 소스부에 각각 연결될 수 있다.
상기 피처리물을 스캔하는 과정에서는 복수의 영역으로 구분하여 영역별로 스캔 조건을 상이하게 상기 제2 레이저헤드부를 이동시키면서 상기 피처리물을 스캔할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 레이저 열처리장치는 제1 레이저를 조사하는 제1 레이저헤드부와 제1 레이저보다 긴 파장을 갖는 제2 레이저를 조사하는 제2 레이저헤드부의 구동을 제어함으로써, 용융(melting) 공정뿐만 아니라 비용융(non-melting) 공정에도 적용할 수 있다. 또한, 제1 레이저의 파장을 가변할 수 있어 다양한 두께의 피처리물(예를 들어, 기판 또는 박막)에 대한 열처리가 가능할 수 있고, 열처리 깊이를 조절할 수 있다.
여기서, 제1 파장 레이저를 발생시키는 제1 파장 레이저광원, 제2 파장 레이저를 발생시키는 제2 파장 레이저광원 및 제3 파장 레이저를 발생시키는 제3 파장 레이저광원 중 하나 이상을 선택적으로 구동하여 제1 레이저의 파장을 가변시킴으로써, 단일(광) 파장뿐만 아니라 혼합(광) 파장까지 제1 레이저의 파장을 가변시킬 수 있다. 이에 따라 열처리 깊이를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 레이저의 흡수를 촉진시킬 수도 있고, 혼합(mixing) 파장을 이용하는 경우에는 단일 파장을 이용하는 경우에 비해 상대적으로 낮은 출력으로도 열처리 공정이 가능할 수 있다.
그리고 제1 광섬유 케이블과 제2 광섬유 케이블을 통해 각 레이저(예를 들어, 제1 레이저와 제2 레이저)를 제1 레이저헤드부와 제2 레이저헤드부에 각각 전송함으로써, 제1 레이저헤드부와 제2 레이저헤드부를 이동시켜 피처리물을 스캔(scan)할 수 있다. 이에 따라 제1 레이저헤드부와 제2 레이저헤드부가 피처리물 상의 열처리가 필요한 가공영역의 면적 내에서만 이동하면 되므로 장비가 차지하는 공간(foot-print)을 최소화할 수 있다.
한편, 조사각 조정부를 통해 제1 레이저헤드부의 레이저 조사각도와 제2 레이저헤드부의 레이저 조사각도를 상이하게 조절할 수 있다. 이를 통해 피처리물의 표면에서 반사되는 각 레이저가 출사된 레이저헤드부와 다른 레이저헤드부로 입사되어 발생할 수 있는 광학계 손상(damage) 등의 문제를 방지할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 열처리장치를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 레이저 소스부의 구성을 설명하기 위한 개념도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제1 레이저헤드부와 제2 레이저헤드부의 동시 구동과 선택적 구동을 설명하기 위한 개념도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 레이저헤드부와 제2 레이저헤드부의 동시 구동에서 제1 레이저와 제2 레이저의 스캔을 설명하기 위한 개념도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 조사각 조정부를 설명하기 위한 개념도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 열처리방법을 나타낸 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 열처리장치를 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 열처리장치(100)는 피처리물(50)을 지지하는 스테이지(150); 제1 레이저 소스부(115)와 연결되어, 상기 피처리물(50)에 제1 레이저(11)를 조사하는 제1 레이저헤드부(110); 제2 레이저 소스부(125)와 연결되어, 상기 피처리물(50)에 상기 제1 레이저(11)보다 긴 파장(wavelength)을 갖는 제2 레이저(12)를 조사하는 제2 레이저헤드부(120); 및 상기 제1 레이저헤드부(110)와 상기 제2 레이저헤드부(120)의 구동을 제어하는 제어부(140);를 포함할 수 있다.
스테이지(150)는 피처리물(50)을 지지할 수 있으며, 실리콘(Si) 웨이퍼(wafer), 반도체 웨이퍼 등의 기판(50a) 또는 비정질 실리콘(α-Si) 등의 박막(50b)과 같은 피처리물(50)이 수평으로 안착(loading)될 수 있다. 예를 들어, 스테이지(150)는 흡착(adsorption) 또는 점착 등에 의해 피처리물(50)을 고정(chucking)하여 지지할 수 있다. 스테이지(150)는 정전기력(electrostatic force)을 이용하는 정전척(Electrostatic Chuck; ESC) 또는 진공(vacuum) 흡착을 위한 다수의 진공 흡착구 등을 포함할 수 있고, 점착을 위한 점착층을 포함할 수도 있다. 여기서, 스테이지(150)는 레이저(laser, 11 or 12)를 조사하여 열처리(annealing)하는 동안 피처리물(50)을 지지(또는 고정)하여 소정의 수평 위치로 유지하게 할 수 있다. 한편, 스테이지(150)는 제1 레이저헤드부(110) 및 제2 레이저헤드부(120)와 상대 이동할 수 있도록 스테이지 구동부(155)에 의해 이동할 수도 있다. 이때, 제1 축(1) 방향과 제2 축(2) 방향으로 모두 이동할 수도 있고, 제1 축(1) 방향과 제2 축(2) 방향 중 어느 하나의 축(1 or 2) 방향으로만 이동할 수도 있다. 예를 들어, 스테이지(150)는 도 1과 같이 제2 축(2) 방향으로 이동할 수 있다. 한편, 스테이지(150)는 피처리물(50)을 가열하는 가열 수단(heating unit)을 포함할 수도 있다.
제1 레이저헤드부(110)는 제1 레이저 소스부(115)와 연결될 수 있고, 피처리물(50)에 제1 레이저(11)를 조사할 수 있다. 예를 들어, 제1 레이저헤드부(110)는 제1 레이저 소스부(115)에 의해 제공(또는 공급)되는 제1 레이저(11)를 스테이지(150)에 지지된 피처리물(50)에 조사하여 피처리물(50)을 열처리할 수 있다.
여기서, 제1 레이저(11)는 단파장(short-wavelength) 레이저일 수 있으며, 가시광(visible) 파장(약 380 내지 780 ㎚) 또는 거의 가시광 파장(약 0.1 내지 1 ㎛)을 가질 수 있다. 예를 들어, 피처리물(50)은 실리콘(Si) 웨이퍼 또는 실리콘(Si) 박막일 수 있고, 제1 레이저(11)는 실리콘(Si) 밴드갭(band gap) 파장(약 1.11 ㎛)보다 단파장일 수 있다. 여기서, 제1 레이저(11)는 실리콘(Si)을 용융(melting)시켜 결정화(crystallization)시킬 수 있다.
이때, 제1 레이저 소스부(115)는 제1 레이저헤드부(110)에 제1 레이저(11)를 제공할 수 있다. 여기서, 제1 레이저 소스부(115)에서 직접 제1 레이저(11)를 생성하여 제1 레이저헤드부(110)에 전송(또는 전달)할 수 있다. 또한, 혼합(mixing) 또는 합성(composing) 등에 의해 제1 레이저헤드부(110)에서 제1 레이저(11)가 생성되도록 원(천) 레이저(raw laser)(들)를 제1 레이저헤드부(110)에 전송할 수도 있다.
한편, 상기 파장은 평균 파장 또는 파장 스펙트럼(spectrum)일 수 있으며, 상기 파장 스펙트럼은 빛의 파장에 따른 상대적 강도(intensity)를 나타낼 수 있고, 하나 이상의 피크(peak) 파장을 가질 수 있다. 예를 들어, 단일 파장의 제1 레이저(11)는 하나의 피크 파장과 상대적으로 좁은 파장 스펙트럼을 가질 수 있다. 이때, 혼합 파장(또는 혼합광)의 제1 레이저(11)는 혼합된 빛(또는 레이저)의 수에 따라 둘 이상의 피크 파장을 가질 수 있고, 파장 스펙트럼이 상대적으로 넓어질 수 있다.
제2 레이저헤드부(120)는 제2 레이저 소스부(125)와 연결될 수 있고, 피처리물(50)에 제1 레이저(11)보다 긴 파장을 갖는 제2 레이저(12)를 조사할 수 있다. 예를 들어, 제2 레이저헤드부(120)는 제2 레이저 소스부(125)로부터 공급되는 제2 레이저(12)를 스테이지(150)에 지지된 피처리물(50)에 조사하여 피처리물(50)을 열처리할 수 있다.
여기서, 제2 레이저(12)는 장파장(long-wavelength) 레이저일 수 있으며, 제1 레이저(11)보다 긴 파장을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 레이저(12)는 근적외선(약 0.75 내지 3 ㎛)과 원적외선(약 0.025 내지 1 ㎜)을 포함하는 적외선 파장(약 0.75 내지 1,000 ㎛) 또는 근적외선과 원적외선을 제외한 (중)적외선 파장(약 3 내지 25 ㎛)을 가질 수 있다. 이때, 제2 레이저(12)의 피크 파장이 제1 레이저(11)의 (최대) 피크 파장보다 길 수 있고, 최대 피크 파장은 둘 이상의 피크 파장 중 상대적 강도가 가장 큰(또는 높은) 피크 파장일 수 있다. 또한, 제2 레이저(12)의 (평균) 파장이 제1 레이저(11)의 평균 파장보다 길 수도 있다. 예를 들어, 피처리물(50)은 실리콘(Si) 웨이퍼 또는 실리콘(Si) 박막일 수 있고, 제2 레이저(12)는 실리콘(Si) 밴드갭 파장(약 1.11 ㎛)보다 장파장(예를 들어, 1.2 내지 10.6 ㎛)일 수 있다. 여기서, 제2 레이저(12)는 실리콘(Si)에 도입(또는 주입)된 불순물(dopant)을 활성화(activation)시킬 수 있다.
이때, 제2 레이저 소스부(125)는 제2 레이저헤드부(120)에 제2 레이저(12)를 공급할 수 있으며, 제2 레이저(12)를 생성하여 제2 레이저헤드부(120)에 전송할 수 있다. 예를 들어, 제2 레이저 소스부(125)는 1.3 ㎛ 또는 1.06 ㎛(Nd-YAG 또는 Ndglass 레이저), 2.8 ㎛(HF 레이저), 5 ㎛(CO 레이저), 10.6 ㎛(CO2 레이저), 16 ㎛(SF6 레이저)의 적외선을 방출하는 적외선 레이저를 비롯하여 수십에서 수백 ㎛ 파장의 원적외선을 발진하는 H2O, D2O, HCN, 에탄올레이저 등의 적외선 레이저를 통해 제2 레이저(12)를 생성하여 방출(또는 발진)할 수 있다. 특히, 제2 레이저 소스부(125)는 트릴륨 레이저(Trillium Laser; TRL)를 포함할 수 있고, 약 2 ㎛ 파장의 제2 레이저(12)를 조사할 수 있다. 이러한 트릴륨 레이저(TRL)는 종래에 적외선 레이저로 주로 사용되던 CO2 레이저보다 상대적으로 빔(beam) 전달 광학계를 조밀화(compact)하여 구성할 수 있다.
제어부(140)는 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)의 구동을 제어할 수 있으며, 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)의 이동뿐만 아니라 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)에서 조사되는 레이저(11,12)의 온(on)/오프(off)도 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 피처리물(50) 상에서 제1 레이저(11)와 제2 레이저(12)가 중첩되어 동시에 같이 이동하도록 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)의 구동을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(140)는 제1 레이저(11)와 제2 레이저(12) 중 어느 하나(11 or 12)만이 피처리물(50)을 스캔(scan)하도록 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)의 구동을 제어할 수도 있다.
이때, 상기 레이저(11,12)의 온/오프는 제1 레이저 소스부(115)와 제2 레이저 소스부(125) 각각을 직접 온/오프하여 제1 레이저(11)와 제2 레이저(12)를 각각 온/오프할 수 있다. 또한, 셔터(shutter) 등에 의해 제1 레이저(11)와 제2 레이저(12)를 차단하여(또는 막아) 제1 레이저헤드부(110) 또는 제2 레이저헤드부(120)에서 제1 레이저(11) 또는 제2 레이저(12)가 조사되지 않도록 할 수도 있다.
한편, 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)는 갠트리(gantry) 형태의 헤드 지지대(135)에 나란히 지지될 수 있으며, 헤드 지지대(135) 내에서 헤드 지지대(135)의 연장방향을 따라 이동할 수도 있다. 그리고 헤드 지지대(135)에는 제어부(140)가 장착(또는 실장)될 수도 있다.
본 발명에 따른 레이저 열처리장치(100)는 제어부(140)를 통해 제1 레이저(11)를 조사하는 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저(12)를 조사하는 제2 레이저헤드부(120)의 구동을 제어함으로써, 결정화 등의 용융 공정뿐만 아니라 불순물 활성화 등의 비용융(non-melting) 공정에도 적용(또는 사용)될 수 있다.
여기서, 제1 레이저(11)의 파장은 제어부(140)에 의해 가변(variable) 가능할 수 있으며, 가시광 파장 또는 거의 가시광 파장 내에서 가변될 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 피처리물(50)의 두께에 따라 제1 레이저(11)의 파장을 가변할 수 있으며, 피처리물(50)의 표면으로부터 깊은 곳(또는 영역)까지 제1 레이저(11)가 도달하여 열처리되도록 할 수 있다. 또한, 제어부(140)는 열처리를 원하는 영역의 깊이(또는 목표 깊이)에 따라 제1 레이저(11)의 파장을 가변할 수도 있다. 이를 통해, 피처리물(50)의 두께 내에서 목표 깊이까지 제1 레이저(11)가 상기 열처리를 원하는 영역에 도달하여 열처리되도록 할 수 있다. 제1 레이저(11)의 파장이 짧아지는 경우에는 피처리물(50)의 표면 근처에서 흡수되어 피처리물(50)의 표면 근처(영역)의 열처리를 촉진시키고, 제1 레이저(11)의 파장이 길어지는 경우에는 상대적으로 더 깊이 침투(또는 투과)하여 흡수됨으로써 그 깊이(또는 침투깊이)까지 열처리가 연장되거나 그 깊이(영역)의 열처리가 촉진될 수 있다.
최근에는 반도체 소자(크기)의 미세화(fine feature)에 따라 PN 접합(pn junction)에서 미세 접합(shallow junction)을 형성할 필요가 있으며, 매우 얕은 접합(ultra-shallow junction)이 요구되고 있다. 고정된 파장의 레이저는 레이저의 침투깊이가 정해져 PN 접합의 깊이를 조절하는 데에 한계가 존재하므로, 의도치 않은 깊이까지 레이저가 침투하여 불순물이 확산함으로써 미세 접합의 형성에 어려움이 있을 수 있다. 하지만, 본 발명에 따른 레이저 열처리장치(100)는 제어부(140)를 통해 제1 레이저(11)의 파장을 가시광 파장 또는 거의 가시광 파장(약 0.1 내지 1 ㎛) 내에서 가변시킬 수 있으므로, 제1 레이저(11)의 파장을 가변하여 PN 접합의 깊이를 조절할 수 있다. 이를 통해, 제1 레이저(11)의 파장을 약 380 ㎚로 짧게 하여 미세 접합을 형성할 수 있고, 약 100 ㎚까지 매우 짧게 하여 매우 얕은 접합을 형성할 수도 있다. 또한, 제1 레이저(11)의 파장을 가변하여 상기 목표 깊이까지(만) 또는 상기 목표 깊이(영역)에서(만) 열처리가 이루어지도록 할 수 있으며, 이에 따라 불순물의 확산 증가에 따른 반도체 소자 내 누설 전류(leakage current)의 증가를 억제 또는 방지할 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 레이저 열처리장치(100)는 제1 레이저(11)의 파장을 가변할 수 있어 다양한 두께의 기판(50a) 또는 박막(50b) 등 피처리물(50)에 대한 열처리가 가능할 수 있고, 피처리물(50)의 두께 내에서 열처리 깊이를 조절할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 레이저 소스부의 구성을 설명하기 위한 개념도로, 도 2의 (a)는 각 광섬유 케이블을 통합한 통합 광섬유 케이블 방식을 나타내고, 도 2의 (b)는 각 광섬유 케이블을 통한 각 파장의 레이저에 대한 미러 결합 방식을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 제1 레이저 소스부(115)는 청색(Blue; B) 파장대역의 제1 파장 레이저(11a)를 발생시키는 제1 파장 레이저광원(115a); 녹색(Green; G) 파장대역의 제2 파장 레이저(11b)를 발생시키는 제2 파장 레이저광원(115b); 및 적색(Red; R) 파장대역의 제3 파장 레이저(11c)를 발생시키는 제3 파장 레이저광원(115c)을 포함할 수 있다.
제1 파장 레이저광원(Laser source, 115a)은 청색(B) 파장대역의 제1 파장 레이저(11a)를 발생시킬 수 있으며, 연속파(Continuous Wave; CW) 또는 펄스(pulse) 레이저를 방출(또는 발진)할 수 있다. 여기서, 제1 파장 레이저(11a)는 하나의 피크 파장(예를 들어, 약 465 ㎚ 파장)을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 레이저광원(115a)은 반도체 레이저(semiconductor laser)일 수 있다. 여기서, 제1 파장 레이저광원(115a)은 약 380 내지 500 ㎚(또는 약 420 내지 460 ㎚) 파장의 레이저 다이오드(Laser Diode; LD)일 수 있고, 약 414 ㎚ 파장의 갈륨(Ga) 질화물(GaN) 레이저 다이오드(LD)일 수 있다. 한편, 제1 파장 레이저광원(115a)은 제2 고조파 발생(Second harmonic generation; SHG) 레이저를 청색 레이저로 사용하여 약 400 ㎚ 파장의 제1 파장 레이저(11a)를 발생시킬 수도 있다. 또한, 제1 파장 레이저광원(115a)은 연속파(CW) 아르곤(Ar) 레이저로부터 약 500 ㎚ 파장의 제1 파장 레이저(11a)를 발생시킬 수도 있다.
제2 파장 레이저광원(115b)은 녹색(G) 파장대역의 제2 파장 레이저(11b)를 발생시킬 수 있으며, 연속파(CW) 또는 펄스 레이저를 방출할 수 있다. 여기서, 제2 파장 레이저(11b)는 하나의 피크 파장(예를 들어, 약 545 또는 532 ㎚ 파장)을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 파장 레이저광원(115b)은 고체 레이저(Solid-state Laser) 등을 이용한 제2 고조파 발생(SHG) 레이저(예를 들어, YAG 레이저의 고조파 레이저) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 반도체 레이저일 수 있다. 여기서, 제2 파장 레이저광원(115b)은 주파수가 이중으로 된(frequency-doubled) 제2 고조파 Nd:YAG 레이저(약 532 ㎚ 파장), Nd:YLF 레이저(약 527 ㎚ 파장) 또는 Yb : YAG 레이저(약 515 ㎚ 파장)로부터 녹색(약 530 ㎚ 파장)의 제2 파장 레이저(11b)를 발생시킬 수 있다. 한편, 제1 파장 레이저(11a)의 파장이 500 ㎚보다 짧은 경우에는 제2 파장 레이저광원(115b)은 연속파(CW) 아르곤(Ar) 레이저로부터 약 500 ㎚ 파장의 제2 파장 레이저(11b)를 발생시킬 수도 있다.
제3 파장 레이저광원(115c)은 적색(R) 파장대역의 제3 파장 레이저(11c)를 발생시킬 수 있으며, 연속파(CW) 또는 펄스 레이저를 방출할 수 있다. 여기서, 제3 파장 레이저(11c)는 하나의 피크 파장(예를 들어, 약 635 또는 615 ㎚ 파장)을 가질 수 있다. 예를 들어, 제3 파장 레이저광원(115c)은 반도체 레이저일 수 있으며, GaAs 기반 레이저 다이오드(LD)로부터 약 600 내지 810 ㎚(또는 약 615 ㎚) 파장을 갖는 적색의 제3 파장 레이저(11c)를 발생시킬 수 있다. 또한, 제3 파장 레이저광원(115c)은 GaAlAs를 기반으로 약 660 내지 780 ㎚ 파장에 해당하는 적색의 제3 파장 레이저(11c)를 발생시킬 수 있고, 헬륨-네온을 기반으로 하여 약 632 nm 파장대를 갖는 적색의 제3 파장 레이저(11c)를 발생시킬 수도 있다.
한편, 제1 레이저 소스부(115)는 필요에 따라 제1 파장 레이저광원(115a), 제2 파장 레이저광원(115b) 및 제3 파장 레이저광원(115c) 외에 제n 파장 레이저(11d)를 발생시키는 제n 파장 레이저광원(115d)을 더 포함할 수도 있다. 이때, 제4 파장 레이저광원, 제5 파장 레이저 광원 등 제n 파장 레이저광원(115d)의 수는 특별히 제한되지 않는다.
여기서, 제어부(140)는 제1 파장 레이저광원(115a), 제2 파장 레이저광원(115b) 및 제3 파장 레이저광원(115c) 중 하나 이상을 선택적으로 구동하여 제1 레이저(11)의 파장을 가변시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 제1 파장 레이저광원(115a), 제2 파장 레이저광원(115b) 및 제3 파장 레이저광원(115c) 중에서 하나를 선택하여 하나의 피크 파장을 갖는 단일 파장으로 제1 레이저(11)의 파장을 가변시킬 수 있다. 또한, 제어부(140)는 제1 파장 레이저광원(115a), 제2 파장 레이저광원(115b) 및 제3 파장 레이저광원(115c) 중 둘 이상을 선택적으로 구동하여 제1 파장 레이저(11a), 제2 파장 레이저(11b) 및 제3 파장 레이저(11c) 중 둘 이상을 혼합함으로써, 둘 이상의 피크 파장을 갖는 혼합 파장으로 제1 레이저(11)의 파장을 가변시킬 수도 있다.
이때, 제1 파장 레이저(11a), 제2 파장 레이저(11b) 및 제3 파장 레이저(11c) 중 두 파장(예를 들어, 제1 파장과 제2 파장, 제1 파장과 제3 파장 또는 제2 파장과 제3 파장)의 레이저가 혼합되는 경우에는 제1 레이저(11)의 파장이 2개의 피크 파장을 갖는 혼합 파장으로 가변될 수 있다. 또한, 제1 파장 레이저(11a), 제2 파장 레이저(11b) 및 제3 파장 레이저(11c)가 모두 혼합되는 경우에는 제1 레이저(11)의 파장이 3개의 피크 파장을 갖는 혼합 파장으로 가변될 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 레이저(11a)와 제2 파장 레이저(11b)가 혼합되는 경우에는 제1 파장과 제2 파장의 두 피크 파장을 가질 수 있고, 제1 파장 레이저(11a)과 제3 파장 레이저(11c)가 혼합되는 경우에는 상기 제1 파장과 제3 파장의 두 피크 파장을 가질 수 있다. 또한, 제2 파장 레이저(11b)과 제3 파장 레이저(11c)가 혼합되는 경우에는 상기 제2 파장과 상기 제3 파장의 두 피크 파장을 가질 수 있고, 제1 파장 레이저(11a), 제2 파장 레이저(11b) 및 제3 파장 레이저(11c)가 모두 혼합되는 경우에는 상기 제1 파장, 상기 제2 파장 및 상기 제3 파장의 세 피크 파장을 가질 수 있다. 이렇게 제1 파장 레이저(11a), 제2 파장 레이저(11b) 및 제3 파장 레이저(11c) 중 둘 이상의 혼합으로 피크 파장의 수와 파장 스펙트럼이 달라져 각 파장별 상대적 강도가 달라질 수 있으며, 이에 따라 색좌표 위치가 달라지면서 제1 레이저(11)의(또는 혼합광의) 색 특성(color)이 달라질 수 있다.
한편, 제1 파장 레이저(11a), 제2 파장 레이저(11b) 및 제3 파장 레이저(11c)는 둘 이상이 합성되어 특정 파장이 아닌 백색광과 같이 넓은 파장대(또는 스펙트럼)를 가질 수도 있다. 그리고 제1 레이저 소스부(115)가 제n 파장 레이저광원(115d)을 더 포함하는 경우에는 제어부(140)가 제1 내지 제n 파장 레이저광원(115a,115b,115c,115d) 중 하나 이상을 선택적으로 구동하여 제1 레이저(11)의 파장을 가변시킬 수도 있다. 또한, 제1 파장 레이저광원(115a), 제2 파장 레이저광원(115b) 및 제3 파장 레이저광원(115c)이 펄스 레이저를 방출하면서 펄스 간격을 서로 다르게 할 수도 있고, 제1 파장 레이저(11a), 제2 파장 레이저(11b) 및 제3 파장 레이저(11c)가 시간차를 두고 피처리물(50)에 조사되도록 할 수 있다. 그리고 제1 레이저 소스부(115)와 제2 레이저 소스부(125)가 서로 다른 펄스 간격의 펄스 레이저를 방출할 수도 있고, 제1 레이저(11)와 제2 레이저(12)가 시간차를 두고 피처리물(50)에 조사되도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 레이저 열처리장치(100)는 제1 파장 레이저(11a)를 발생시키는 제1 파장 레이저광원(115a), 제2 파장 레이저(11b)를 발생시키는 제2 파장 레이저광원(115b) 및 제3 파장 레이저(11c)를 발생시키는 제3 파장 레이저광원(115c) 중 하나 이상을 선택적으로 구동하여 제1 레이저(11)의 파장을 가변시킴으로써, 단일(광) 파장뿐만 아니라 혼합(광) 파장까지 제1 레이저(11)의 파장을 가변시킬 수 있다. 이에 따라 열처리 깊이(또는 침투깊이)를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 제1 레이저(11) 및/또는 제2 레이저(12)의 흡수를 촉진시킬 수도 있다. 또한, 혼합 파장을 이용하는 경우에는 단일 파장을 이용하는 경우에 비해 제1 레이저 소스부(115) 및/또는 제2 레이저 소스부(125)의(또는 상기 제1 파장 레이저광원, 상기 제2 파장 레이저광원 및 상기 제3 파장 레이저광원 중 적어도 하나의) 상대적으로 낮은 출력으로도 열처리 공정이 가능할 수 있다.
한편, 제어부(140)는 제1 파장 레이저광원(115a), 제2 파장 레이저광원(115b) 및 제3 파장 레이저광원(115c) 중 제1 파장 레이저광원(115a)은 항상 구동되도록 제어할 수도 있다. 제1 파장 레이저광원(115a)에서 발생되는 제1 파장 레이저(11a)는 청색(B) 파장대역으로 파장이 짧아 흡수율이 높으면서 투과 깊이(또는 침투깊이)는 얕아 불순물을 효과적으로 활성화시킬 수 있을 뿐만 아니라 불순물의 확산 증가에 영향을 주지 않을 수 있다. 반면에, 제2 파장 레이저(11b)와 제3 파장 레이저(11c)는 제1 파장 레이저(11a)에 비해 긴 파장으로 상기 투과 깊이가 상대적으로 깊어질 수 있으나, 흡수율은 상대적으로 낮아지게 된다. 이로 인해 상기 목표 깊이가 깊어질수록 불순물의 활성화가 효과적이지 않을 수 있다. 하지만, 제2 파장 레이저(11b) 및/또는 제3 파장 레이저(11c)을 이용한 깊은 상기 목표 깊이의 열처리에서도 제1 파장 레이저(11a)를 함께 조사하는 경우에는 제1 파장 레이저(11a)에 의해 흡수율(예를 들어, 상기 제2 파장 레이저 및/또는 상기 제3 파장 레이저의 흡수율)이 증가할 수 있다. 이에 따라 제2 파장 레이저(11b) 또는 제3 파장 레이저(11c)만을 조사하는 단일 파장의 경우에 비해 제1 레이저 소스부(115)의(또는 상기 제1 파장 레이저, 상기 제2 파장 레이저 및/또는 상기 제3 파장 레이저의) 비교적 낮은 출력으로도 열처리가 가능할 수 있다.
여기서, 불순물은 밴드갭 에너지(bandgap energy; Eg) 등의 활성화 에너지(activation energy)에 의해 활성화될 수 있고, 불순물에 활성화 에너지를 공급하기 위한 최소전력(threshold power; Pthreshold) 또는 최소전압(threshold voltage; Vthreshold)이 요구될 수 있다. 제1 파장 레이저(11a)는 제2 파장 레이저(11b) 및/또는 제3 파장 레이저(11c)의 흡수율을 보상할 수 있어 상대적으로 깊은 깊이에 대해 제2 파장 레이저(11b) 및/또는 제3 파장 레이저(11c)을 통한 열처리가 필요한 경우에 제1 레이저 소스부(115)에 인가되는 최소전력(Pthreshold) 또는 최소전압(Vthreshold)을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 열처리장치(100)는 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)를 이동시키는 헤드 이동부(130); 제1 레이저 소스부(115)와 제1 레이저헤드부(110)의 사이에 제공되는 제1 광섬유 케이블(10); 및 제2 레이저 소스부(125)와 제2 레이저헤드부(120)의 사이에 제공되는 제2 광섬유 케이블(20);을 더 포함할 수 있다.
헤드 이동부(130)는 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)를 이동시킬 수 있으며, 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)를 각각 독립적으로 이동시킬 수도 있다. 여기서, 헤드 이동부(130)는 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120) 각각을 제1 축(1) 방향과 제2 축(2) 방향으로 모두 이동시킬 수 있다. 또한, 헤드 이동부(130)는 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120) 각각을 제1 축(1) 방향과 제2 축(2) 방향 중 어느 하나의 축(1 or 2) 방향으로만 이동시킬 수도 있으며, 도 1과 같이 제1 축(1) 방향으로 이동시킬 수 있다.
예를 들어, 헤드 이동부(130)는 헤드 지지대(135)에 제공되는 레일(131) 및 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)가 고정(또는 지지)되어 레일(131)을 따라 이동(또는 슬라이딩)하는 이동체(132)를 포함할 수 있다. 레일(131)은 헤드 지지대(135)에 설치되어 제공될 수 있으며, 적어도 일방향으로 연장되어 상기 적어도 일방향으로 이동체(132)의 이동 경로를 가이드(또는 제공)할 수 있다. 여기서, 레일(131)은 선형(linear)의 직선 구조일 수도 있고, 원형(circle) 또는 타원(elliptical) 등의 폐쇄(closed)된 순환 구조(racetrack)일 수도 있다.
이동체(132)는 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)가 고정(또는 지지)될 수 있고, 레일(131)을 따라 이동할 수 있다. 이때, 이동체(132)는 복수(개)로 구성될 수도 있으며, 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)가 각각의 이동체(132)에 각각 고정되어 독립적으로 각각 이동될 수 있다. 여기서, 레일(131)이 상기 직선 구조인 경우에는 이동체(132)가 레일(131)을 따라 레일(131)의 연장방향(또는 상기 일방향)으로 왕복 운동(또는 이동)할 수 있고, 레일(131)이 상기 순환 구조인 경우에는 이동체(132)가 레일(131)을 따라 순환 운동(또는 이동)할 수 있다.
제1 광섬유 케이블(10)은 제1 레이저 소스부(115)와 제1 레이저헤드부(110)의 사이에 제공될 수 있으며, 제1 레이저(11)가 제1 레이저헤드부(110)에 제공(또는 공급)되도록 할 수 있다. 여기서, 제1 광섬유 케이블(10)은 제1 레이저 소스부(115)에서 발생된 제1 레이저(11)를 제1 레이저헤드부(110)에 전송(또는 전달)할 수 있다. 또한, 제1 광섬유 케이블(10)은 혼합 또는 합성 등에 의해 제1 레이저헤드부(110)에서 제1 레이저(11)가 생성되도록 제1 파장 레이저(11a), 제2 파장 레이저(11b) 및 제3 파장 레이저(11c) 등을 각각 제1 레이저헤드부(110)에 전송할 수도 있다.
예를 들어, 제1 광섬유 케이블(10)은 도 2의 (a)와 같이 제1 파장 레이저(11a), 제2 파장 레이저(11b) 및 제3 파장 레이저(11c) 등을 각각 전송하는 단위 케이블(10a,10b,10c,10d)이 통합되어 구성될 수 있다. 또한, 제1 광섬유 케이블(10)은 도 2의 (b)와 같이 미러부(111)에 의해 제1 파장 레이저(11a), 제2 파장 레이저(11b) 및 제3 파장 레이저(11c) 등이 혼합(또는 합성)될 수도 있다. 이때, 제1 광섬유 케이블(10)은 제1 파장 레이저(11a), 제2 파장 레이저(11b) 및 제3 파장 레이저(11c) 등을 각각 전송하여 미러부(111)에 의해 혼합된 후에 제1 레이저헤드부(110)에서 출사(또는 조사)되도록 하거나, 미러부(111)에 의해 혼합된 제1 레이저(11)를 제1 레이저헤드부(110)로 전송할 수 있다.
여기서, 미러부(111)는 제1 미러(111a), 제2 미러(111b) 및 제3 미러(111c)를 포함할 수 있다. 제1 미러(111a)는 제1 파장 레이저(11a)를 반사시키고 다른 파장의 레이저(예를 들어, 상기 제2 파장 레이저 및 상기 제3 파장 레이저 등)를 투과시킬 수 있다. 그리고 제2 미러(111b)는 제2 파장 레이저(11b)를 반사시키고 다른 파장의 레이저(예를 들어, 상기 제1 파장 레이저 및 상기 제3 파장 레이저 등)를 투과시킬 수 있다. 또한, 제3 미러(111c)는 제3 파장 레이저(11c)를 반사시키고 다른 파장의 레이저(예를 들어, 상기 제1 파장 레이저 및 상기 제2 파장 레이저 등)를 투과시킬 수 있다. 그리고 미러부(111)는 필요에 따라 제n 미러(111d)를 더 포함할 수 있으며, 제n 미러(111d)는 제n 파장 레이저(11d)를 반사시키고 다른 파장의 레이저(예를 들어, 상기 제1 파장 레이저, 상기 제2 파장 레이저 및 상기 제3 파장 레이저 등)를 투과시킬 수 있다.
이때, 제1 광섬유 케이블(10)은 제1 접속부(connector, 113)에 의해 제1 레이저헤드부(110)와 접속(connect)될 수 있다. 제1 접속부(113)는 제1 광섬유 케이블(10)로부터 제1 레이저(11)를 모아 제1 레이저헤드부(110)에 전달(또는 전송)할 수 있도록 시준기(collimator)를 포함할 수도 있고, 제1 접속부(113)에 미러부(111)가 제공될 수도 있다.
제2 광섬유 케이블(20)은 제2 레이저 소스부(125)와 제2 레이저헤드부(120)의 사이에 제공될 수 있으며, 제2 레이저 소스부(125)에서 발생된 제2 레이저(12)를 제2 레이저헤드부(120)에 전송할 수 있다. 이때, 제2 광섬유 케이블(20)은 제2 접속부(123)에 의해 제2 레이저헤드부(120)와 접속될 수 있다. 제2 접속부(123)는 제2 광섬유 케이블(20)로부터 제2 레이저(12)를 모아 제2 레이저헤드부(120)에 전달할 수 있도록 시준기를 포함할 수도 있다.
종래에는 빔 전달 광학계(만)를 이용하여 레이저를 전송하였으며, 빔 전달 광학계의 고정 설치로 인해 레이저헤드부를 이동시키는 경우에 레이저의 빔 정렬이 틀어지거나 빔 경로를 제공하면서 레이저헤드부를 고정시키는 빔 경로 하우징에 의해 레이저헤드부의 이동이 제한될 수 밖에 없었다.
하지만, 제1 광섬유 케이블(10)과 제2 광섬유 케이블(20)은 유연성 또는 신축성(flexibility)을 가지므로, 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)의 이동을 제한하지 않을 수 있고, 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)가 자유자재로 이동할 수 있다. 이에 따라 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120) 각각을 제1 축(1) 방향뿐만 아니라 제2 축(2) 방향으로도 이동시킬 수 있다. 즉, 스캔을 위해 스테이지(150)를 이동시키지 않을 수 있고, 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)가 피처리물(50) 상의 열처리가 필요한 가공영역의 면적 내에서만 이동할 수 있다. 제1 광섬유 케이블(10)과 제2 광섬유 케이블(20)은 비용이 저렴하면서 크기가 소형일 뿐만 아니라 각 레이저(예를 들어, 상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저)를 효과적으로 전달하여 공정품질을 만족시키기 충분한 빔 품질을 갖도록 할 수 있다. 또한, 제1 광섬유 케이블(10)과 제2 광섬유 케이블(20)은 레이저 열처리장치(100)의 설계 유연성을 높일 수 있고, 장비가 차지하는 공간(foot-print)의 최소화가 가능할 수 있으며, (종래의) 빔 전달 광학계에 비해 유지 보수 비용이 줄어들 수도 있다.
그리고 스테이지(150) 대신에 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)를 이동시키는 경우에는 (종래의) 스테이지(150)를 이동시키는 방식에 비해 공정 시간을 단축할 수 있으며, 열처리가 필요한 가공영역(만)을 선택적으로 열처리할 수 있어 효율적일 수 있다.
더욱이, 제1 광섬유 케이블(10)과 제2 광섬유 케이블(20)은 전기적 노후로 인한 오류(error)를 제외하면 매우 낮은(또는 적은) 유지보수(maintenance)를 필요로 하고 5 내지 10 년 동안이나 사용 가능할 수 있어 (종래의) 빔 전달 광학계 대비 가용 기간(uptime) 측면에서 우위에 있다. 그리고 제1 광섬유 케이블(10)과 제2 광섬유 케이블(20)은 피크 파워(Peak power)가 펄스 레이저에 비해 상대적으로 낮은 연속파(CW) 레이저를 사용할 수 있어 레이저의 조사(지)점(Spot) 사이의 온도 편차가 크지 않아 제1 레이저헤드부(110) 및/또는 제2 레이저헤드부(120)의 구동(또는 이동)을 통한 온도 균일성을 확보할 수 있다. 또한, 제1 광섬유 케이블(10)과 제2 광섬유 케이블(20)을 통해 시준(collimation)된 제1 레이저(11)와 제2 레이저(12)가 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)에 전달될 수 있어 반사 미러 등의 별도의 광학 구성이 필요없을 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 레이저 열처리장치(100)는 제1 광섬유 케이블(10)와 제2 광섬유 케이블(20)가 제1 레이저 소스부(115)와 제1 레이저헤드부(110)의 사이 및 제2 레이저 소스부(125)와 제2 레이저헤드부(120)의 사이를 각각 연결함으로써, 각 레이저(예를 들어, 상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저)를 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)에 각각 효과적으로 제공(또는 전송)할 수 있으면서 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)를 이동시켜 피처리물(50)을 스캔할 수 있다. 이에 따라 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)가 피처리물(50) 상의 열처리가 필요한 가공영역의 면적 내에서만 이동하면 되므로 장비가 차지하는 공간을 최소화할 수 있다.
한편, 헤드 지지대(135)를 제2 축(2) 방향으로 이동시켜 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)를 제2 축(2) 방향으로 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 레일(131)과 이동체(132)를 통해 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)를 제1 축(1) 방향으로 이동시키고, 헤드 지지대(135)를 제2 축(2) 방향으로 이동시켜 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)를 제2 축(2) 방향으로 이동시킬 수 있다. 이러한 경우, 레일(131)의 길이를 줄일(또는 최소화할) 수 있으면서 스테이지(150)의 이동없이 피처리물(50)을 스캔할 수 있다. 이에 따라 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)가 피처리물(50) 상의 열처리가 필요한 가공영역의 면적 내에서만 (상대) 이동할 수 있어 장비가 차지하는 공간이 최소화될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제1 레이저헤드부와 제2 레이저헤드부의 동시 구동과 선택적 구동을 설명하기 위한 개념도로, 도 3의 (a)는 제1 레이저헤드부와 제2 레이저헤드부의 동시 구동을 나타내고, 도 3의 (b)는 제1 레이저헤드부의 선택적 구동을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 제어부(140)는 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120) 중 어느 하나의 선택적 구동 또는 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)의 동시 구동으로 제어할 수 있다. 제어부(140)는 제1 레이저헤드부(110)만 구동하거나, 제2 레이저헤드부(120)만 구동할 수도 있고, 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)를 동시 구동할 수도 있다.
예를 들어, 결정화 등의 용융 공정을 위해서는 파장이 상대적으로 짧은 제1 레이저(11)를 조사하기 위해 제1 레이저헤드부(110)를 구동할 수 있고, 불순물 활성화 등의 비용융 공정을 위해서는 파장이 상대적으로 긴 제2 레이저(12)를 조사하기 위해 제2 레이저헤드부(120)를 구동할 수 있다.
이때, 불순물을 활성화시키는 경우에는 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)를 동시 구동할 수 있으며, 제1 레이저헤드부(110)가 제1 레이저(11)에 의해 자유 전자 또는 자유 캐리어(free carrier)를 생성한 후에 제2 레이저헤드부(120)가 제2 레이저(12)를 조사하여 불순물을 활성화시킬 수 있다.
즉, 제2 레이저(12)는 장파장으로 피처리물(50) 내부에 흡수되지 않고 투과될 수 있으므로, 제1 레이저(11)를 통해 피처리물(50)에 자유 전자 또는 자유 캐리어를 형성하여 제2 레이저(12)의 흡수율을 증가시킬 수 있다. 종래에는 피처리물(50)의 내부 흡수를 위한 자유 캐리어의 형성방법으로 스테이지(150)의 가열 수단을 사용하였으나, 본 발명에서는 제1 레이저(11)를 통해 자유 캐리어를 형성함으로써, 스테이지(150)에 가열 수단이 필요하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제2 레이저(12)는 실리콘(Si) 밴드갭(band gap) 에너지(약 1.2 eV)보다 작은 에너지를 갖는 파장(예를 들어, 장파장)의 레이저일 수 있고, 일반적으로 실리콘(Si) 내부에 흡수되지 않고 투과될 수 있다. 이로 인해, 가시광(예를 들어, RGB) 파장의 제1 레이저(11)를 통해 반도체(즉, 상기 피처리물) 표면 자유 전자를 형성하여 제2 레이저(12)의 흡수율을 증가시킬 수 있다.
한편, PN 접합에 있어서, 제1 레이저(11)의 파장을 조절하여 약 380 ㎚로 짧게 함으로써, 미세 접합을 형성할 수도 있고, 약 100 ㎚까지 매우 짧게 하여 매우 얕은 접합을 형성할 수도 있다. 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)에서 의도치 않은 깊이까지 레이저가 침투하여 과도한 불순물의 확산이 발생하는 경우에는 박막 트랜지스터(TFT) 내에 누설 전류가 발생하여 소스(Source)와 드레인(Drain) 간에 연결 불량이 발생할 수 있다. 하지만, 본 발명에서는 제1 레이저(11)의 파장을 가변하여 상기 목표 깊이까지(만) 또는 상기 목표 깊이(영역)에서(만) 열처리가 이루어지도록 할 수 있다. 이에 따라 불순물의 확산 증가에 따른 반도체 소자 내 누설 전류의 증가를 억제 또는 방지할 수 있고, 박막 트랜지스터(TFT)에서 소스와 드레인 간의 연결 불량을 방지할 수도 있다.
반도체 소자의 제조 시 기판(50a) 상에 박막(50b)을 형성하는 과정에서 도 3의 (b)와 같이 단차 피복(step coverage)에 의해 기공(void, 51)이 발생할 수 있고, 상기 용융 공정을 통해 소자 특성 저하를 발생시킬 수 있는 박막(50b) 내의 기공(51)을 제거할 수 있다. 또한, 제1 레이저(11)를 조사하여 박막(50b)을 재결정화(Re-Crystallization)하거나, 결함 치유(Defect Curing)할 수도 있다.
여기서, 제1 레이저(11)의 파장을 조절하여 상기 침투깊이(또는 상기 열처리 깊이)를 조절함으로써, 기공(51)이 형성된 깊이에 관계없이 피처리물(50) 내(즉, 상기 박막 내)의 기공(51)을 제거할 수 있으며, 기공(51)이 형성된 다양한 두께의 박막(50b)에 적용 가능할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 (b)와 같이 박막(50b)의 표면에 가까운 기공(51)은 제1 파장 레이저(11a)를 조사하여 제거할 수 있고, 박막(50b)의 표면으로부터 조금 떨어진 중간 깊이의 기공(51)은 제2 파장 레이저(11b)를 조사하여 제거할 수 있다. 또한, 박막(50b) 깊은 곳에 위치한 기공(51)은 제3 파장 레이저(11c)를 조사하여 제거할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 레이저 열처리장치(100)는 제어부(140)를 통해 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)를 선택적 구동 또는 동시 구동으로 제어함으로써, 결정화 공정뿐만 아니라 불순물 활성화 공정에도 선택적으로 적용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 레이저헤드부와 제2 레이저헤드부의 동시 구동에서 제1 레이저와 제2 레이저의 스캔을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4를 참조하면, 제1 레이저(11)의 빔 사이즈는 상기 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)의 동시 구동에서 제2 레이저(12)의 빔 사이즈 이상일 수 있다. 여기서, 제1 레이저(11)의 빔 형상은 선형(line) 빔 또는 점(spot)형상 빔일 수 있고, 가우시안(Gaussian) 또는 탑 햇(Top Hat) 형상일 수도 있다. 또한, 제2 레이저(12)의 빔 형상도 선형 빔 또는 점형상 빔일 수 있고, 가우시안 또는 탑 햇 형상일 수도 있다. 이때, 제1 레이저(11)의 빔 크기(size)는 수십 ㎛ 내지 수 ㎜일 수 있고, 제2 레이저(12)의 빔 크기도 수십 ㎛ 내지 수 ㎜일 수 있다. 즉, 제1 레이저(11)가 조사되어 자유 전자 또는 자유 캐리어가 생성된 후에 제2 레이저(12)가 조사될 수 있다. 상기 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)의 동시 구동에서 제2 레이저(12)의 빔 사이즈가 제1 레이저(11)의 빔 사이즈보다 더 큰 경우에는 제1 레이저(11)와 중첩되지 않고 제1 레이저(11)를 벗어나는 영역(또는 상기 제1 레이저보다 더 큰 영역)이 존재하게 된다. 이렇게 상기 제1 레이저(11)를 벗어나는 영역에서는 자유 전자 또는 자유 캐리어가 생성되지 않아 제2 레이저(12)를 흡수하지 못하고 불순물이 활성화되지 않게 된다.
이에, 상기 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)의 동시 구동에서 제1 레이저(11)의 빔 사이즈를 제2 레이저(12)의 빔 사이즈 이상으로 하여 제1 레이저(11)가 조사되어 자유 전자 또는 자유 캐리어가 생성된 후에 제2 레이저(12)가 조사되도록 할 수 있다.
한편, 상황(예를 들어, 상기 제1 레이저가 선행되는 경우 등)에 따라서는 제1 레이저(11)의 빔 사이즈를 제2 레이저(12)의 빔 사이즈 이하로 할 수도 있다.
또한, 제어부(140)는 상기 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)의 동시 구동에서 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)의 스캔을 제어하여 제1 레이저(11)와 제2 레이저(12)를 중첩시키거나, 제1 레이저(11)를 제2 레이저(12)보다 스캔방향의 전방에 위치시킬 수 있다. 즉, 열처리 목표 위치에 제1 레이저(11)와 제2 레이저(12)가 동시에 조사되거나, 제1 레이저(11)가 선행되어 제2 레이저(12)보다 먼저 조사될 수 있다.
제2 레이저(12)가 제1 레이저(11)보다 상기 스캔방향의 전방에 위치하는 경우에는 각 위치마다 제2 레이저(12)가 제1 레이저(11)보다 선행되게 되고, 자유 전자 또는 자유 캐리어가 생성되지 않은 상태에서 제2 레이저(12)가 조사됨으로 인해 제2 레이저(12)가 흡수되지 못하고 불순물이 활성화되지 않게 된다. 이에, 상기 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120)의 동시 구동에서 제1 레이저(11)를 제2 레이저(12)와 동시 또는 제2 레이저(12)보다 선행하게 하여 상기 열처리 목표 위치에 제1 레이저(11)가 조사되어 자유 전자 또는 자유 캐리어가 생성된 후에 제2 레이저(12)가 조사되도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 조사각 조정부를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 열처리장치(100)는 제1 레이저헤드부(110)의 레이저 조사각도와 제2 레이저헤드부(120)의 레이저 조사각도를 각각 조절하는 조사각 조정부(미도시);를 더 포함할 수 있다.
조사각 조정부(미도시)는 제1 레이저헤드부(110)의 레이저 조사각도와 제2 레이저헤드부(120)의 레이저 조사각도를 각각 조절할 수 있으며, 제1 레이저헤드부(110)의 레이저 조사각도와 제2 레이저헤드부(120)의 레이저 조사각도를 상이하게 할 수 있다. 여기서, 조사각 조정부(미도시)는 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120) 각각을 기울여(tilt) 레이저 조사각도를 조절할 수 있다. 또한, 조사각 조정부(미도시)는 제1 레이저헤드부(110)와 제2 레이저헤드부(120) 각각의 내부에 제공되는 갈바노 미러 또는 폴리곤 미러에 의해 레이저 조사각도를 조절할 수도 있다. 제1 레이저헤드부(110)의 레이저 조사각도와 제2 레이저헤드부(120)의 레이저 조사각도를 조절하여 제1 레이저(11)와 제2 레이저(12)가 적어도 부분적으로 중첩되도록 할 수 있고, 조사되는 제1 레이저(11) 및/또는 제2 레이저(12)가 피처리물(50)을 스캔하도록 할 수도 있다.
그리고 제1 레이저헤드부(110)의 레이저 조사각도와 제2 레이저헤드부(120)의 레이저 조사각도가 동일한 경우에는 각 레이저헤드부(110,120)에서 조사된 레이저(11a,12a)가 피처리물(50)의 표면에서 반사되어, 반사된 레이저(11b,12b)가 다른 레이저헤드부(120,110)로 입사될 수 있다. 이로 인해 각 레이저헤드부(110,120)의 광학계(damage) 등이 손상될 수 있다. 이에, 본 발명에 따른 레이저 열처리장치(100)는 조사각 조정부(미도시)를 통해 제1 레이저헤드부(110)의 레이저 조사각도와 제2 레이저헤드부(120)의 레이저 조사각도를 상이하게 조절할 수 있다. 이를 통해 피처리물(50)의 표면에서 반사되는 각 레이저(11,12)가 출사된 레이저헤드부(110,120)와 다른 레이저헤드부(120,110)로 입사되어 발생할 수 있는 광학계 손상 등의 문제를 방지할 수 있다.
한편, 제어부(140)는 복수의 영역으로 구분하여 영역별로 스캔 조건을 상이하게 제2 레이저헤드부(120)의 스캔을 제어할 수 있다. 여기서, 상기 복수의 영역은 스캔 조건이 상이할 수 있고, 스캔 조건이 서로 다른 제1 영역과 제2 영역을 포함할 수 있다.
예를 들어, 피처리물(50)은 상기 복수의 영역으로 구분될 수 있으며, 상기 제1 영역은 피처리물(50)을 예열하기 위한 예열(Pre-Heating) 영역일 수 있고, 상기 제2 영역은 일반적인 스캔이 이루어지는 일반(normal) 영역일 수 있다. 제2 레이저헤드부(120)의 스캔을 통해 피처리물(50)을 활성화시키는 경우, 제2 레이저(12)의 조사 전 스테이지(150)에 지지된 피처리물(50)의 온도(예를 들어, 400 ℃)가 활성화(activation) 온도(예를 들어, 1,200 ℃)까지 상승하기 위해서는 소정 에너지가 필요하다. 상기 소정 에너지(또는 소정의 누적에너지)를 위해 피처리물(50)에 제2 레이저(12)의 조사가 시작되어 소정 시간이 필요할 수 있다. 레이저(11 or 12)로 피처리물(50)을 스캔하게 되면, 스캔 라인을 따라 직전 레이저(11 or 12)가 조사된 부분의 열이 전달(또는 확산)될 수 있다. 상기 소정 시간 이후에는 제2 레이저(12)가 조사되어 활성화 온도까지 상승한 부분의 열이 상기 스캔 라인을 따라 전달되면서 제2 레이저(12)가 조사되어 스캔되는 부분(또는 영역)이 연속적으로 활성화 온도까지 상승하여 활성화될 수 있다. 여기서, 상기 소정 시간은 0초가 아닌 시간을 의미하며, 수 초(s), 수 밀리초(㎳), 수 마이크로초(㎲), 수 나노초(㎱), 수 피코초(㎰), 수 펨토초(fs), 수 아토초(as), 수 젭토초(zs), 수 욕토초(ys) 등일 수 있고, 0초 보다 크면 족하다. 이때, 제2 레이저(12)의 에너지가 클수록 빨리 상기 소정 에너지에 도달할 수 있고, 상기 소정 시간이 짧아질 수 있다.
피처리물(50)에 제2 레이저(12)의 조사가 시작될 때부터 상기 일반 영역에서와 같이 일반적인 스캔을 하게 되면, 상기 소정 시간 이전에 스캔이 이루어진 영역(또는 부분)에서는 활성화 온도까지 피처리물(50)의 온도가 상승하지 못하여 활성화가 이루어지지 않게 된다. 이로 인해, 상기 소정 시간부터 스캔되는 영역에서만(예를 들어, 상기 제2 레이저의 조사 시작점에서 약 14 ㎜ 이후부터) 활성화가 이루어지게 된다. 이러한 경우, 피처리물(50)의 활성화가 이루어지지 않은 부분을 사용(또는 활용)하지 못하게 된다.
따라서, 예열 영역으로서 상기 제1 영역에 제2 레이저(12)의 조사를 시작하여 상기 소정 시간 이상으로 (충분히) 스캔한 후에 상기 소정 시간이 지난 시점(또는 상기 소정 시간 이상의 시점)부터 일반적인 스캔으로 상기 제2 영역을 스캔할 수 있다. 이에 따라 피처리물(50) 전체를 활성화시킬 수 있고, 활성화된 피처리물(50) 전체를 활용(또는 사용)할 수 있다.
이때, 상기 스캔 조건은 스캔 속도, 스캔 횟수, 서로 평행한 스캔 라인 간의 이격 폭(또는 서로 평행한 스캔 라인 간 레이저 빔의 중첩 폭) 및 단위면적당 제2 레이저(12)에 의해 축적되는 에너지량 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 영역의 스캔 속도를 상기 제2 영역보다 느리게 하거나 상기 제1 영역의 스캔 횟수를 상기 제2 영역보다 많게 하여 상기 소정 시간 이상 오랫동안 상기 제1 영역을 스캔할 수 있다. 이를 통해, 상기 제1 영역의 단위면적당 제2 레이저(12)에 의해 축적되는 에너지량을 상기 제2 영역보다 많게 할 수 있다. 여기서, 상기 제1 영역의 서로 평행한 스캔 라인 간의 이격 폭을 상기 제2 영역보다 작게 하거나, 서로 평행한 스캔 라인 간 (레이저) 빔(또는 상기 제2 레이저의 빔)의 중첩 폭을 상기 제2 영역보다 크게 하여 상기 제1 영역의 단위면적당 제2 레이저(12)에 의해 축적되는 에너지량을 상기 제2 영역보다 많게 할 수도 있다.
그리고 상기 제1 영역의 면적은 상기 제2 영역의 면적보다 작을 수 있으며, 상기 제1 영역의 상기 스캔 라인의 연장방향과 교차하는 방향의 폭이 제2 레이저(12)의 빔의 폭(즉, 상기 스캔 라인의 연장방향과 교차하는 방향의 폭)과 같은 것이 바람직할 수 있다. 상기 제1 영역에서는 오랜시간 스캔이 이루어져야 하므로, 상기 제1 영역의 면적이 크면 클수록 피처리물(50) 전체를 활성화시키기 위한 전체적인 공정 시간이 늘어나게 된다. 이에 따라 상기 제1 영역의 상기 스캔 라인의 연장방향과 교차하는 방향의 폭을 제2 레이저(12)의 빔의 폭과 같게 하여 상기 소정 시간 동안만 상기 제1 영역에서 제2 레이저(12)의 빔을 왕복 스캔하다가 상기 소정 시간 이후부터 바로 상기 제2 영역을 스캔할 수 있다. 이러한 경우에는 상기 소정 시간까지 거의 동일한 영역에 제2 레이저(12)에 의한 에너지가 축적되므로, 상기 제1 영역 중 활성화가 이루어지지 않는 부분 없이 피처리물(50)의 전체 영역의 활성화를 보장할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 열처리방법을 나타낸 순서도이다.
도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 열처리방법을 보다 상세히 살펴보는데, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 열처리장치와 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 열처리방법은 파장이 가변 가능한 제1 레이저를 조사하는 제1 레이저헤드부와 상기 제1 레이저보다 긴 파장을 갖는 제2 레이저를 조사하는 제2 레이저헤드부 중 적어도 어느 하나의 레이저헤드부를 선택하는 과정; 및 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부 중에서 선택된 레이저 헤드부에서 상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저 중 각 레이저 헤드부에 대응되는 레이저를 피처리물에 조사하는 과정;을 포함할 수 있다.
먼저, 파장이 가변 가능한 제1 레이저를 조사하는 제1 레이저헤드부와 상기 제1 레이저보다 긴 파장을 갖는 제2 레이저를 조사하는 제2 레이저헤드부 중 적어도 어느 하나의 레이저헤드부를 선택한다(S100). 제어부를 통해 제1 레이저헤드부와 제2 레이저헤드부 중 적어도 어느 하나의 레이저헤드부를 선택할 수 있다. 결정화 등의 용융(melting) 공정에서는 상대적으로 파장이 짧은 제1 레이저를 조사하기 위해 상기 제1 레이저헤드부를 선택할 수 있다. 그리고 불순물 활성화 등의 비용융(non-melting) 공정에서는 상기 제1 레이저보다 긴 파장을 갖는 제2 레이저를 조사하기 위해 상기 제2 레이저헤드부를 선택할 수 있다. 여기서, 상기 제1 레이저는 파장을 가변 가능할 수 있으며, 하나의 피크 파장의 위치를 변화시키면서 단일 파장으로 가변될 수도 있고, 둘 이상의 피크 파장이 혼합된 혼합 파장으로 가변될 수도 있다.
다음으로, 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부 중에서 선택된 레이저 헤드부에서 상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저 중 각 레이저 헤드부에 대응되는 레이저를 피처리물에 조사한다(S200). 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부 중에서 선택된 레이저 헤드부가 상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저 중 각 레이저 헤드부에 대응되는 레이저를 피처리물에 조사할 수 있으며, 상기 피처리물에 대해 상기 용융 공정 또는 상기 비용융 공정의 열처리를 수행할 수 있다.
따라서, 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부를 선택적으로 구동함으로써, 상기 용융 공정뿐만 아니라 비용융 공정을 하나의 레이저 열처리장치로 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 열처리방법은 청색 파장대역의 제1 파장 레이저를 발생시키는 제1 파장 레이저광원, 녹색 파장대역의 제2 파장 레이저를 발생시키는 제2 파장 레이저광원 및 적색 파장대역의 제3 파장 레이저를 발생시키는 제3 파장 레이저광원 중 하나 이상을 선택적으로 구동하여 상기 제1 레이저의 파장을 가변시키는 과정;을 더 포함할 수 있다.
청색(Blue; B) 파장대역의 제1 파장 레이저를 발생시키는 제1 파장 레이저광원, 녹색(Green; G) 파장대역의 제2 파장 레이저를 발생시키는 제2 파장 레이저광원 및 적색(Red; R) 파장대역의 제3 파장 레이저를 발생시키는 제3 파장 레이저광원 중 하나 이상을 선택적으로 구동하여 상기 제1 레이저의 파장을 가변시킬 수 있다(S50). 제1 레이저 소스부가 제1 파장 레이저광원, 제2 파장 레이저광원 및 제3 파장 레이저 광원을 포함할 수 있고, 제1 파장 레이저광원, 제2 파장 레이저광원 및 제3 파장 레이저 광원이 선택적으로 구동되도록 상기 제어부가 상기 제1 레이저 소스부를 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 제어부가 상기 제1 파장 레이저광원, 상기 제2 파장 레이저광원 및 상기 제3 파장 레이저광원 중 하나 이상을 선택적으로 구동하여 상기 제1 레이저의 파장을 가변시킬 수 있다. 이때, 상기 제1 파장 레이저광원, 상기 제2 파장 레이저광원 및 상기 제3 파장 레이저광원 중에서 하나를 선택하여 단일 파장으로 상기 제1 레이저의 파장을 가변시킬 수 있다. 또한, 상기 제1 파장 레이저광원, 상기 제2 파장 레이저광원 및 상기 제3 파장 레이저광원 중 둘 이상을 선택적으로 구동하여 상기 제1 파장 레이저, 상기 제2 파장 레이저 및 상기 제3 파장 레이저 중 둘 이상을 혼합함으로써, 혼합 파장으로 상기 제1 레이저의 파장을 가변시킬 수도 있다.
이에, 상기 제1 파장 레이저를 발생시키는 상기 제1 파장 레이저광원, 상기 제2 파장 레이저를 발생시키는 상기 제2 파장 레이저광원 및 상기 제3 파장 레이저를 발생시키는 상기 제3 파장 레이저광원 중 하나 이상을 선택적으로 구동하여 상기 제1 레이저의 파장을 가변시킴으로써, 단일(광) 파장뿐만 아니라 혼합(광) 파장까지 상기 제1 레이저의 파장을 가변시킬 수 있다. 이에 따라 열처리 깊이(또는 침투깊이)를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 상기 제1 레이저 및/또는 상기 제2 레이저의 흡수를 촉진시킬 수도 있다. 또한, 혼합 파장을 이용하는 경우에는 단일 파장을 이용하는 경우에 비해 상기 제1 레이저 소스부 및/또는 제2 레이저 소스부의(또는 상기 제1 파장 레이저광원, 상기 제2 파장 레이저광원 및 상기 제3 파장 레이저광원 중 적어도 하나의) 상대적으로 낮은 출력으로도 열처리 공정이 가능할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 열처리방법은 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 구동을 선택적 구동 또는 동시 구동으로 설정하는 과정(S60);을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 구동을 선택적 구동 또는 동시 구동으로 설정할 수 있다(S60). 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 구동을 선택적 구동 또는 동시 구동으로 설정할 수 있으며, 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부를 각각 선택적으로 구동하거나, 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부를 동시 구동할 수 있다.
상기 적어도 어느 하나의 레이저헤드부를 선택하는 과정(S100)에서는 설정된 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 구동에 따라 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부 중에서 선택할 수 있다. 상기 선택적 구동에서는 제어부를 통해 상기 제1 레이저헤드부만 선택하여 상기 제1 레이저만 조사하거나, 상기 제2 레이저헤드부만 선택하여 상기 제2 레이저만 조사할 수 있다. 그리고 상기 동시 구동에서는 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부를 모두 선택하여 상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저를 모두 조사할 수 있다.
상기 선택적 구동 또는 동시 구동으로 설정하는 과정(S60)에서는 상기 피처리물의 적어도 일부를 활성화시키는 경우에 상기 동시 구동으로 설정할 수 있다. 불순물 활성화 등의 비용융 공정에서는 파장이 상대적으로 긴 상기 제2 레이저를 조사하기 위해 상기 제2 레이저헤드부를 구동할 수 있다. 여기서, 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부를 동시 구동할 수도 있다. 상기 제1 레이저헤드부가 상기 제1 레이저에 의해 자유 전자 또는 자유 캐리어(free carrier)를 생성한 후에 상기 제2 레이저헤드부가 상기 제2 레이저를 조사하여 불순물을 활성화시킬 수 있다.
한편, 상기 선택적 구동 또는 동시 구동으로 설정하는 과정(S60)에서는 상기 피처리물의 적어도 일부를 활성화시키는 경우에 상기 제1 레이저헤드부의 선택적 구동으로 설정할 수도 있다. 상기 제1 레이저의 파장을 가변시켜 활성화 깊이를 조절할 수 있으며, 상기 제1 레이저에 의해 자유 전자 또는 자유 캐리어를 생성할 수 있고, 불순물을 활성화시킬 수도 있다. 예를 들어, 제1 내지 제n 파장 레이저(또는 상기 제1 파장 레이저, 상기 제2 파장 레이저 및 상기 제3 파장 레이저) 중 하나 이상의 레이저로 자유 전자 또는 자유 캐리어를 생성할 수 있다. 그리고 상기 제1 내지 제n 파장 레이저 중 자유 전자 또는 자유 캐리어를 생성하는 레이저보다 상대적으로 긴 파장(예를 들어, 근적외선과 인접한 파장)을 갖는 레이저로 불순물을 활성화시킬 수 있다.
상기 제1 레이저의 파장을 가변시키는 과정(S50)에서는 활성화를 위한 목표 깊이에 따라 상기 제1 레이저의 파장을 가변시킬 수 있다. 상기 제1 레이저의 파장에 따라 열처리 깊이(또는 침투깊이)가 달라질 수 있으며, 파장이 길수록 흡수율은 낮아지고 침투깊이는 깊어질 수 있다. 이에 따라 활성화를 위한 목표 깊이까지 불순물이 활성화될 수 있도록 상기 제1 레이저의 파장을 가변시킬 수 있으며, 상기 제1 레이저가 상기 침투깊이(또는 상기 열처리 깊이)까지 자유 전자 또는 자유 캐리어를 생성할 수 있다. 즉, 가변된(또는 선택된) 상기 제1 레이저의 파장에 해당하는 상기 침투깊이에 따라 열처리 깊이가 결정될 수 있으며, 상기 침투깊이까지 자유 전자 또는 자유 캐리어가 생성될 수 있고, 불순물이 활성화될 수 있다. 이때, 상기 제1 레이저의 세기(또는 출력)는 자유 전자 또는 자유 캐리어를 생성 가능한 에너지에 의해 결정될 수 있으며, 자유 전자 또는 자유 캐리어를 생성 가능한 에너지에 따라 빔 크기(beam size) 및 스캔 속도(scan speed) 등이 결정될 수도 있다.
본 발명에 따른 레이저 열처리방법은 상기 제1 레이저에 의해 자유 캐리어를 생성하는 과정(S251); 및 상기 제2 레이저를 흡수하여 상기 피처리물 내의 불순물을 활성화시키는 과정(S252);을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 레이저에 의해 자유 캐리어를 생성할 수 있다(S251). 상기 제2 레이저는 장파장으로 상기 피처리물 내부에 흡수되지 않고 투과될 수 있으므로, 상기 제2 레이저의 흡수율을 증가시키기 위해 상기 제2 레이저가 조사되기 전에 상기 제1 레이저에 의해 자유캐리어를 생성할 수 있다. 즉, 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부를 동시 구동함으로써, 상기 제1 레이저를 통해 상기 피처리물에 자유 캐리어를 형성하여 상기 제2 레이저의 흡수율을 증가시킬 수 있다. 종래에는 상기 피처리물의 내부 흡수를 위한 자유 캐리어의 형성방법으로 스테이지의 가열 수단을 사용하였으나, 본 발명에서는 상기 제1 레이저를 통해 자유 캐리어를 형성함으로써, 상기 스테이지에 가열 수단이 필요하지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 레이저는 실리콘(Si) 밴드갭(band gap) 에너지(약 1.2 eV)보다 작은 에너지를 갖는 파장(예를 들어, 장파장)의 레이저일 수 있고, 일반적으로 실리콘(Si) 내부에 흡수되지 않고 투과될 수 있다. 이로 인해, 가시광(예를 들어, RGB) 파장의 상기 제1 레이저를 통해 반도체(즉, 상기 피처리물) 표면 자유 전자를 형성하여 상기 제2 레이저의 흡수율을 증가시킬 수 있다.
그리고 상기 제2 레이저를 흡수하여 상기 피처리물 내의 불순물을 활성화시킬 수 있다(S252). 상기 제1 레이저를 통해 상기 피처리물에 자유 캐리어를 생성한 후에 상기 제2 레이저를 조사함으로써, 상기 제2 레이저를 흡수하여 상기 피처리물 내의 불순물을 활성화시킬 수 있다. 즉, 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 동시 구동에서 상기 제1 레이저를 상기 제2 레이저와 동시 또는 상기 제2 레이저보다 선행하게 하여 열처리 목표 위치에 상기 제1 레이저가 조사되어 자유 캐리어가 생성된 후에 상기 제2 레이저가 조사되도록 할 수 있다. 이에 따라 상기 제2 레이저를 흡수하여 상기 피처리물 내의 불순물을 활성화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 열처리방법은 상기 제1 레이저헤드부의 레이저 조사각도와 상기 제2 레이저헤드부의 레이저 조사각도를 각각 조절하는 과정(S70);을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 레이저헤드부의 레이저 조사각도와 상기 제2 레이저헤드부의 레이저 조사각도를 각각 조절할 수 있다(S70). 조사각 조정부를 통해 상기 제1 레이저헤드부의 레이저 조사각도와 상기 제2 레이저헤드부의 레이저 조사각도를 각각 조절할 수 있다. 이를 통해 상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저가 적어도 부분적으로 중첩되도록 할 수 있고, 조사되는 상기 제1 레이저 및/또는 상기 제2 레이저가 상기 피처리물을 스캔하도록 할 수도 있다. 이때, 상기 제1 레이저헤드부의 레이저 조사각도와 상기 제2 레이저헤드부의 레이저 조사각도를 상이하게 할 수도 있다.
본 발명에 따른 레이저 열처리방법은 상기 조사각 조정부를 통해 상기 제1 레이저헤드부의 레이저 조사각도와 상기 제2 레이저헤드부의 레이저 조사각도를 상이하게 조절함으로써, 상기 피처리물의 표면에서 반사되는 각 레이저가 출사된 레이저헤드부와 다른 레이저헤드부로 입사되어 발생할 수 있는 광학계 손상 등의 문제를 방지할 수 있다.
상기 선택적 구동 또는 동시 구동으로 설정하는 과정(S60)에서는 상기 피처리물을 적어도 부분적으로 결정화시키는 경우에 상기 제1 레이저헤드부의 선택적 구동으로 설정할 수 있다. 결정화 등의 용융 공정을 위해서는 파장이 상대적으로 짧은 상기 제1 레이저를 조사하기 위해 상기 제1 레이저헤드부를 선택적으로 구동할 수 있다.
상기 제1 레이저의 파장을 가변시키는 과정(S50)에서는 결정화를 위한 목표 깊이에 따라 상기 제1 레이저의 파장을 가변시킬 수 있다. 상기 제1 레이저의 파장에 따라 열처리 깊이(또는 침투깊이)가 달라질 수 있으며, 파장이 길수록 흡수율은 낮아지고 침투깊이는 깊어질 수 있다. 이에 따라 활성화를 위한 목표 깊이까지(또는 에서) 결정화가 이루어질 수 있도록 상기 제1 레이저의 파장을 가변시킬 수 있으며, 상기 제1 레이저가 상기 침투깊이(또는 상기 열처리 깊이)까지(또는 에서) 결정화가 이루어질 수 있다. 즉, 가변된(또는 선택된) 상기 제1 레이저의 파장에 해당하는 상기 침투깊이에 따라 열처리 깊이가 결정될 수 있으며, 상기 침투깊이까지(또는 에서) 열처리가 이루어져 용융될 수 있고, 박막의 기공(void)이 제거되거나, 박막이 재결정화(Re-Crystallization)될 수 있다. 이때, 상기 제1 레이저의 세기(또는 출력) 및 에너지는 용융 한계점(melting threshold) 이상이면서 하부 구조물에 영향을 미치지 않도록 결정될 수 있으며, 용융 한계점에 따라 빔 크기 및 스캔 속도 등이 결정될 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 레이저 열처리방법은 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부를 선택적 구동 또는 동시 구동으로 구동함으로써, 결정화 공정뿐만 아니라 불순물 활성화 공정에도 선택적으로 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 열처리방법은 상기 선택된 레이저 헤드부를 이동시켜 상기 피처리물을 스캔하는 과정(S250);을 더 포함할 수 있다.
상기 선택된 레이저 헤드부를 이동시켜 상기 피처리물을 스캔할 수 있다(S250). 헤드 이동부를 통해 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부를 각각 이동시킬 수 있으며, 상기 피처리물을 스캔할 수 있고, 열처리가 필요한 가공영역(만)을 선택적으로 열처리할 수 있다.
여기서, 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부는 광섬유 케이블에 의해 상기 제1 레이저를 생성하기 위한 제1 레이저 소스부와 상기 제2 레이저를 생성하기 위한 제2 레이저 소스부에 각각 연결될 수 있다. 광섬유 케이블은 유연성 또는 신축성(flexibility)을 가지므로, 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 이동을 제한하지 않을 수 있고, 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부가 자유자재로 이동할 수 있다. 이에 따라 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부 각각을 제1 축 방향뿐만 아니라 제2 축 방향으로도 이동시킬 수 있다. 즉, 스캔을 위해 상기 스테이지를 이동시키지 않을 수 있고, 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부가 상기 피처리물 상의 열처리가 필요한 가공영역의 면적 내에서만 이동할 수 있다. 상기 광섬유 케이블은 비용이 저렴하면서 크기가 소형일 뿐만 아니라 각 레이저(예를 들어, 상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저)를 효과적으로 전달하여 공정품질을 만족시키기 충분한 빔 품질을 갖도록 할 수 있다. 또한, 상기 광섬유 케이블은 레이저 열처리장치의 설계 유연성을 높일 수 있고, 장비가 차지하는 공간(foot-print)의 최소화가 가능할 수 있으며, (종래의) 빔 전달 광학계에 비해 유지 보수 비용이 줄어들 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 레이저 열처리방법은 상기 광섬유 케이블을 토해 상기 제1 레이저 소스부와 상기 제1 레이저헤드부의 사이 및 상기 제2 레이저 소스부와 상기 제2 레이저헤드부의 사이를 각각 연결함으로써, 각 레이저(예를 들어, 상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저)를 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부에 각각 효과적으로 제공(또는 전송)할 수 있으면서 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부를 이동시켜 상기 피처리물을 스캔할 수 있다. 이에 따라 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부가 상기 피처리물 상의 열처리가 필요한 가공영역의 면적 내에서만 이동하면 되므로 장비가 차지하는 공간을 최소화할 수 있다.
한편, 상기 피처리물을 스캔하는 과정(S250)에서는 복수의 영역으로 구분하여 영역별로 스캔 조건을 상이하게 상기 제2 레이저헤드부를 이동시키면서 상기 피처리물을 스캔할 수 있다. 여기서, 상기 복수의 영역은 스캔 조건이 상이할 수 있고, 스캔 조건이 서로 다른 제1 영역과 제2 영역을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 피처리물은 상기 복수의 영역으로 구분될 수 있으며, 상기 제1 영역은 상기 피처리물을 예열하기 위한 예열(Pre-Heating) 영역일 수 있고, 상기 제2 영역은 일반적인 스캔이 이루어지는 일반(normal) 영역일 수 있다. 상기 제2 레이저헤드부의 스캔을 통해 상기 피처리물을 활성화시키는 경우, 상기 제2 레이저의 조사 전 상기 스테이지에 지지된 상기 피처리물의 온도(예를 들어, 400 ℃)가 활성화(activation) 온도(예를 들어, 1,200 ℃)까지 상승하기 위해서는 소정 에너지가 필요하다. 상기 소정 에너지(또는 소정의 누적에너지)를 위해 상기 피처리물에 상기 제2 레이저의 조사가 시작되어 소정 시간이 필요할 수 있다. 레이저로 상기 피처리물을 스캔하게 되면, 스캔 라인을 따라 직전 레이저가 조사된 부분의 열이 전달(또는 확산)될 수 있다. 상기 소정 시간 이후에는 상기 제2 레이저가 조사되어 활성화 온도까지 상승한 부분의 열이 상기 스캔 라인을 따라 전달되면서 상기 제2 레이저가 조사되어 스캔되는 부분(또는 영역)이 연속적으로 활성화 온도까지 상승하여 활성화될 수 있다. 여기서, 상기 소정 시간은 0초가 아닌 시간을 의미하며, 수 초(s), 수 밀리초(㎳), 수 마이크로초(㎲), 수 나노초(㎱), 수 피코초(㎰), 수 펨토초(fs), 수 아토초(as), 수 젭토초(zs), 수 욕토초(ys) 등일 수 있고, 0초 보다 크면 족하다. 이때, 상기 제2 레이저의 에너지가 클수록 빨리 상기 소정 에너지에 도달할 수 있고, 상기 소정 시간이 짧아질 수 있다.
상기 피처리물에 상기 제2 레이저의 조사가 시작될 때부터 상기 일반 영역에서와 같이 일반적인 스캔을 하게 되면, 상기 소정 시간 이전에 스캔이 이루어진 영역(또는 부분)에서는 활성화 온도까지 상기 피처리물의 온도가 상승하지 못하여 활성화가 이루어지지 않게 된다. 이로 인해, 상기 소정 시간부터 스캔되는 영역에서만(예를 들어, 상기 제2 레이저의 조사 시작점에서 약 14 ㎜ 이후부터) 활성화가 이루어지게 된다. 이러한 경우, 상기 피처리물의 활성화가 이루어지지 않은 부분을 사용(또는 활용)하지 못하게 된다.
따라서, 예열 영역으로서 상기 제1 영역에 상기 제2 레이저의 조사를 시작하여 상기 소정 시간 이상으로 (충분히) 스캔한 후에 상기 소정 시간이 지난 시점(또는 상기 소정 시간 이상의 시점)부터 일반적인 스캔으로 상기 제2 영역을 스캔할 수 있다. 이에 따라 상기 피처리물 전체를 활성화시킬 수 있고, 활성화된 상기 피처리물 전체를 활용(또는 사용)할 수 있다.
이때, 상기 스캔 조건은 스캔 속도, 스캔 횟수, 서로 평행한 스캔 라인 간의 이격 폭(또는 서로 평행한 스캔 라인 간 레이저 빔의 중첩 폭) 및 단위면적당 상기 제2 레이저에 의해 축적되는 에너지량 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 영역의 스캔 속도를 상기 제2 영역보다 느리게 하거나 상기 제1 영역의 스캔 횟수를 상기 제2 영역보다 많게 하여 상기 소정 시간 이상 오랫동안 상기 제1 영역을 스캔할 수 있다. 이를 통해, 상기 제1 영역의 단위면적당 상기 제2 레이저에 의해 축적되는 에너지량을 상기 제2 영역보다 많게 할 수 있다. 여기서, 상기 제1 영역의 서로 평행한 스캔 라인 간의 이격 폭을 상기 제2 영역보다 작게 하거나, 서로 평행한 스캔 라인 간 (레이저) 빔(또는 상기 제2 레이저의 빔)의 중첩 폭을 상기 제2 영역보다 크게 하여 상기 제1 영역의 단위면적당 상기 제2 레이저에 의해 축적되는 에너지량을 상기 제2 영역보다 많게 할 수도 있다.
그리고 상기 제1 영역의 면적은 상기 제2 영역의 면적보다 작을 수 있으며, 상기 제1 영역의 상기 스캔 라인의 연장방향과 교차하는 방향의 폭이 제2 레이저(12)의 빔의 폭(즉, 상기 스캔 라인의 연장방향과 교차하는 방향의 폭)과 같은 것이 바람직할 수 있다. 상기 제1 영역에서는 오랜시간 스캔이 이루어져야 하므로, 상기 제1 영역의 면적이 크면 클수록 상기 피처리물 전체를 활성화시키기 위한 전체적인 공정 시간이 늘어나게 된다. 이에 따라 상기 제1 영역의 상기 스캔 라인의 연장방향과 교차하는 방향의 폭을 상기 제2 레이저의 빔의 폭과 같게 하여 상기 소정 시간 동안만 상기 제1 영역에서 상기 제2 레이저의 빔을 왕복 스캔하다가 상기 소정 시간 이후부터 바로 상기 제2 영역을 스캔할 수 있다. 이러한 경우에는 상기 소정 시간까지 거의 동일한 영역에 상기 제2 레이저에 의한 에너지가 축적되므로, 상기 제1 영역 중 활성화가 이루어지지 않는 부분 없이 상기 피처리물의 전체 영역의 활성화를 보장할 수도 있다.
이처럼, 본 발명에서는 제1 레이저를 조사하는 제1 레이저헤드부와 제1 레이저보다 긴 파장을 갖는 제2 레이저를 조사하는 제2 레이저헤드부의 구동을 제어함으로써, 용융 공정뿐만 아니라 비용융 공정에도 적용할 수 있다. 또한, 제1 레이저의 파장을 가변할 수 있어 다양한 두께의 피처리물에 대한 열처리가 가능할 수 있고, 열처리 깊이를 조절할 수 있다. 여기서, 제1 파장 레이저를 발생시키는 제1 파장 레이저광원, 제2 파장 레이저를 발생시키는 제2 파장 레이저광원 및 제3 파장 레이저를 발생시키는 제3 파장 레이저광원 중 하나 이상을 선택적으로 구동하여 제1 레이저의 파장을 가변시킴으로써, 단일 파장뿐만 아니라 혼합 파장까지 제1 레이저의 파장을 가변시킬 수 있다. 이에 따라 열처리 깊이를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 레이저의 흡수를 촉진시킬 수도 있고, 혼합 파장을 이용하는 경우에는 단일 파장을 이용하는 경우에 비해 상대적으로 낮은 출력으로도 열처리 공정이 가능할 수 있다. 그리고 제1 광섬유 케이블과 제2 광섬유 케이블을 통해 각 레이저를 제1 레이저헤드부와 제2 레이저헤드부에 각각 전송함으로써, 제1 레이저헤드부와 제2 레이저헤드부를 이동시켜 피처리물을 스캔할 수 있다. 이에 따라 제1 레이저헤드부와 제2 레이저헤드부가 피처리물 상의 열처리가 필요한 가공영역의 면적 내에서만 이동하면 되므로 장비가 차지하는 공간을 최소화할 수 있다. 한편, 조사각 조정부를 통해 제1 레이저헤드부의 레이저 조사각도와 제2 레이저헤드부의 레이저 조사각도를 상이하게 조절할 수 있다. 이를 통해 피처리물의 표면에서 반사되는 각 레이저가 출사된 레이저헤드부와 다른 레이저헤드부로 입사되어 발생할 수 있는 광학계 손상 등의 문제를 방지할 수도 있다.
상기 설명에서 사용한 “~ 상에”라는 의미는 직접 접촉하는 경우와 직접 접촉하지는 않지만 상부 또는 하부에 대향하여 위치하는 경우를 포함하고, 상부면 또는 하부면 전체에 대향하여 위치하는 것뿐만 아니라 부분적으로 대향하여 위치하는 것도 가능하며, 위치상 떨어져 대향하거나 상부면 또는 하부면에 직접 접촉한다는 의미로 사용하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (21)

  1. 피처리물을 지지하는 스테이지;
    제1 레이저 소스부와 연결되어, 상기 피처리물에 제1 레이저를 조사하는 제1 레이저헤드부;
    제2 레이저 소스부와 연결되어, 상기 피처리물에 상기 제1 레이저보다 긴 파장을 갖는 제2 레이저를 조사하는 제2 레이저헤드부; 및
    상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 구동을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제1 레이저의 파장은 상기 제어부에 의해 가변 가능한 레이저 열처리장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 레이저 소스부는,
    청색 파장대역의 제1 파장 레이저를 발생시키는 제1 파장 레이저광원;
    녹색 파장대역의 제2 파장 레이저를 발생시키는 제2 파장 레이저광원; 및
    적색 파장대역의 제3 파장 레이저를 발생시키는 제3 파장 레이저광원을 포함하는 레이저 열처리장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 파장 레이저광원, 상기 제2 파장 레이저광원 및 상기 제3 파장 레이저광원 중 하나 이상을 선택적으로 구동하여 상기 제1 레이저의 파장을 가변시키는 레이저 열처리장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부를 이동시키는 헤드 이동부;
    상기 제1 레이저 소스부와 상기 제1 레이저헤드부의 사이에 제공되는 제1 광섬유 케이블; 및
    상기 제2 레이저 소스부와 상기 제2 레이저헤드부의 사이에 제공되는 제2 광섬유 케이블;을 더 포함하는 레이저 열처리장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부 중 어느 하나의 선택적 구동 또는 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 동시 구동으로 제어하는 레이저 열처리장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 레이저의 빔 사이즈는 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 동시 구동에서 상기 제2 레이저의 빔 사이즈 이상인 레이저 열처리장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 동시 구동에서 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 스캔을 제어하여, 상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저를 중첩시키거나, 상기 제1 레이저를 상기 제2 레이저보다 스캔방향의 전방에 위치시키는 레이저 열처리장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 레이저헤드부의 레이저 조사각도와 상기 제2 레이저헤드부의 레이저 조사각도를 각각 조절하는 조사각 조정부;를 더 포함하는 레이저 열처리장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 복수의 영역으로 구분하여 영역별로 스캔 조건을 상이하게 상기 제2 레이저헤드부의 스캔을 제어하는 레이저 열처리장치.
  10. 파장이 가변 가능한 제1 레이저를 조사하는 제1 레이저헤드부와 상기 제1 레이저보다 긴 파장을 갖는 제2 레이저를 조사하는 제2 레이저헤드부 중 적어도 어느 하나의 레이저헤드부를 선택하는 과정; 및
    상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부 중에서 선택된 레이저 헤드부에서 상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저 중 각 레이저 헤드부에 대응되는 레이저를 피처리물에 조사하는 과정;을 포함하는 레이저 열처리방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    청색 파장대역의 제1 파장 레이저를 발생시키는 제1 파장 레이저광원, 녹색 파장대역의 제2 파장 레이저를 발생시키는 제2 파장 레이저광원 및 적색 파장대역의 제3 파장 레이저를 발생시키는 제3 파장 레이저광원 중 하나 이상을 선택적으로 구동하여 상기 제1 레이저의 파장을 가변시키는 과정;을 더 포함하는 레이저 열처리방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 구동을 선택적 구동 또는 동시 구동으로 설정하는 과정;을 더 포함하고,
    상기 적어도 어느 하나의 레이저헤드부를 선택하는 과정에서는 설정된 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부의 구동에 따라 상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부 중에서 선택하는 레이저 열처리방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 선택적 구동 또는 동시 구동으로 설정하는 과정에서는,
    상기 피처리물의 적어도 일부를 활성화시키는 경우에 상기 동시 구동으로 설정하는 레이저 열처리방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 레이저에 의해 자유 캐리어를 생성하는 과정; 및
    상기 제2 레이저를 흡수하여 상기 피처리물 내의 불순물을 활성화시키는 과정;을 더 포함하는 레이저 열처리방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 레이저헤드부의 레이저 조사각도와 상기 제2 레이저헤드부의 레이저 조사각도를 각각 조절하는 과정;을 더 포함하는 레이저 열처리방법.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 선택적 구동 또는 동시 구동으로 설정하는 과정에서는,
    상기 피처리물의 적어도 일부를 활성화시키는 경우에 상기 제1 레이저헤드부의 선택적 구동으로 설정하는 레이저 열처리방법.
  17. 청구항 13 또는 청구항 16에 있어서,
    상기 제1 레이저의 파장을 가변시키는 과정에서는 활성화를 위한 목표 깊이에 따라 상기 제1 레이저의 파장을 가변시키는 레이저 열처리방법.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 선택적 구동 또는 동시 구동으로 설정하는 과정에서는,
    상기 피처리물을 적어도 부분적으로 결정화시키는 경우에 상기 제1 레이저헤드부의 선택적 구동으로 설정하는 레이저 열처리방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제1 레이저의 파장을 가변시키는 과정에서는 결정화를 위한 목표 깊이에 따라 상기 제1 레이저의 파장을 가변시키는 레이저 열처리방법.
  20. 청구항 10에 있어서,
    상기 선택된 레이저 헤드부를 이동시켜 상기 피처리물을 스캔하는 과정;을 더 포함하고,
    상기 제1 레이저헤드부와 상기 제2 레이저헤드부는 광섬유 케이블에 의해 상기 제1 레이저를 생성하기 위한 제1 레이저 소스부와 상기 제2 레이저를 생성하기 위한 제2 레이저 소스부에 각각 연결되는 레이저 열처리방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 피처리물을 스캔하는 과정에서는 복수의 영역으로 구분하여 영역별로 스캔 조건을 상이하게 상기 제2 레이저헤드부를 이동시키면서 상기 피처리물을 스캔하는 레이저 열처리방법.
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