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KR102135406B1 - 레이저 결정화 장치 - Google Patents

레이저 결정화 장치 Download PDF

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KR102135406B1
KR102135406B1 KR1020130081177A KR20130081177A KR102135406B1 KR 102135406 B1 KR102135406 B1 KR 102135406B1 KR 1020130081177 A KR1020130081177 A KR 1020130081177A KR 20130081177 A KR20130081177 A KR 20130081177A KR 102135406 B1 KR102135406 B1 KR 102135406B1
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KR
South Korea
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laser
laser beam
optical system
crystallization apparatus
diffraction optical
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류제길
알렉산더 보로노브
한규완
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삼성디스플레이 주식회사
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H10P34/42—
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 결정화 장치는 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생기, 상기 레이저 빔을 회절시켜 상기 레이저 빔의 초점면에서 상기 레이저 빔을 균일화시키는 회절 광학계, 상기 레이저 빔이 입사되어 결정화되는 대상 기판이 탑재되는 스테이지를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 결정화 장치는 회절 광학계를 설치함으로써, 레이저 빔을 회절시켜 복수개의 서브 레이저 빔으로 나누고, 복수 개의 서브 레이저 빔은 초점면에서 서로 상쇄 간섭을 일으켜 레이저 빔을 균일화시킬 수 있다.

Description

레이저 결정화 장치{LASER CRYSTALLING APPARATUS}
본 발명은 레이저 결정화 장치에 관한 것으로서, 비정질 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막으로 결정화하는 레이저 결정화 장치에 관한 것이다.
일반적으로 비정질 실리콘(a-Si)은 전하 운반체인 전자의 이동도 및 개구율이 낮고 CMOS 공정에 부합되지 못하는 단점이 있다. 반면에, 다결정 실리콘(Poly-Si)은 비정질 실리콘 박막 트랜지스터(a-Si TFT)에서는 불가능하였던 영상신호를 화소에 기입하는데 필요한 구동 회로를 화소 TFT array와 같이 기판상에 구성하는 것이 가능하다. 따라서, 다결정 실리콘 박막 소자에서는 다수의 단자와 드라이버 IC와의 접속이 불필요하게 되므로, 생산성과 신뢰성을 높이고 패널의 두께를 줄일 수 있다.
이러한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 저온 조건에서 제조하는 방법으로는 고상 결정화법(Solid Phase Crystallization, SPC), 금속유도 결정화법(Metal Induced Crystallization, MIC), 금속유도측면 결정화법(Metal Induced Lateral Crystallization, MILC), 엑시머 레이저 열처리법(Excimer Laser Annealing, ELA) 등이 있다. 특히, OLED 또는 LCD의 제조 공정에서는 높은 에너지를 갖는 레이저 빔을 이용하여 결정화하는 엑시머 레이저 열처리법(ELA)을 사용한다.
이와 같이, 레이저 결정화 장치를 이용하여 대상 기판을 스캔하며 대상 박막에 결정화를 진행하는 경우, 선형인 레이저 빔의 불균일 현상에 의해 얼룩인 스캔 무라(scan mura)가 발생하기 쉬워, 고주파로 기계적 진동을 가하여 레이저 빔의 균일도를 향상시키고 있다.
그러나, 고주파 발생기에서 발생하는 기계적 진동이 기판에 전달됨으로써, 무라(mura)를 유발할 수 있으며, 고해상도의 표시 장치에서는 더욱 문제가 될 수 있다.
본 발명은 전술한 배경 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 레이저 빔의 균일도를 향상시켜 스캔 무라를 최소화할 수 있는 레이저 결정화 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 결정화 장치는 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생기, 상기 레이저 빔을 회절시켜 상기 레이저 빔의 초점면에서 상기 레이저 빔을 균일화시키는 회절 광학계, 상기 레이저 빔이 입사되어 결정화되는 대상 기판이 탑재되는 스테이지를 포함할 수 있다.
상기 회절 광학계는 복수 개의 회절 격자가 일면에 형성되어 있는 회절 격자 렌즈일 수 있다.
상기 회절 격자는 톱니 홈으로 이루어진 톱니 격자일 수 있고, 상기 톱니 격자의 개수는 50개/mm 내지 350개/mm이고, 상기 톱니 격자의 폭은 3㎛ 내지 20㎛ 일 수 있다.
상기 회절 격자는 삼각 홈으로 이루어진 삼각 격자일 수 있고, 상기 삼각 격자의 개수는 50개/mm 내지 350개/mm이고, 상기 삼각 격자의 폭은 3㎛ 내지 20㎛일 수 있다.
상기 회절 격자는 사각 홈으로 이루어진 사각 격자일 수 있고, 상기 사각 격자의 수는 50개/mm 내지 350개/mm이고, 상기 사각 격자의 폭은 3㎛ 내지 20㎛이며, 상기 사각 격자의 깊이는 0.1㎛ 내지 20㎛일 수 있다.
상기 회절 광학계에 연결되어 있으며 상기 회절 광학계를 진동시키는 고주파 발생기를 더 포함할 수 있으며, 상기 고주파 발생기에서 발생하는 고주파의 진동수는 25Hz 내지 200Hz일 수 있다.
상기 스테이지를 승강시켜 상기 초점면을 상기 대상 기판에 형성된 대상 박막에 위치시키는 스테이지 승강기를 더 포함하고, 상기 회절 광학계를 승강시켜 상기 초점면을 상기 대상 기판에 형성된 대상 박막에 위치시키는 회절 광학계 승강기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 회절 광학계를 설치함으로써, 레이저 빔을 회절시켜 복수개의 서브 레이저 빔으로 나누고, 복수 개의 서브 레이저 빔은 초점면에서 서로 상쇄 간섭을 일으켜 레이저 빔을 균일화시킬 수 있다.
따라서, 레이저 빔의 균일도를 향상시켜 스캔 무라를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 회절 광학계를 통과한 레이저 빔의 상쇄 간섭을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 레이저 빔의 에너지 밀도와 종래의 레이저 결정화 장치의 레이저 빔의 에너지 밀도를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
그러면 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 결정화 장치에 대하여 도 1 및도 2를 참고로 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 개략도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 결정화 장치는 레이저 빔(1)를 발생시키는 레이저 발생기(10), 레이저 빔(1)을 회절시키는 회절 광학계(20), 레이저 빔(1)이 입사되어 결정화되는 대상 기판(100)이 탑재되는 스테이지(30), 스테이지(30)를 승강시키는 스테이지 승강기(40) 및 회절 광학계(20)를 승강시키는 회절 광학계 승강기(50)를 포함한다.
레이저 발생기(10)에서 발생하는 레이저 빔(1)은 엑시머 레이저 빔 등으로서 대상 기판(100)에 형성된 대상 박막(110)을 결정화시킨다. 대상 박막(110)은 비정질 실리콘 박막일 수 있으며, 이는 저압화학 증착법, 상압화학 증착법, PECVD법(plasma enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링법, 진공증착법(vacuum evaporation) 등의 방법으로 형성될 수 있다.
회절 광학계(20)는 복수 개의 회절 격자(21)가 일면에 형성되어 있는 회절 격자 렌즈일 수 있다. 회절 격자(21)는 톱니 홈으로 이루어진 톱니 격자(21)일 수 있으며, 톱니 격자(21)의 개수는 50개/mm 내지 350개/mm일 수 있다. 톱니 격자(21)의 개수가 50개/mm보다 작은 경우에는 회절 현상이 충분히 발생하기 어려워 균일한 레이저 빔(1)을 형성할 수 없고, 톱니 격자(21)의 개수가 350개/mm보다 큰 경우에는 제조하기 어려워 제조 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한, 톱니 격자(21)의 폭(d)은 3㎛ 내지 20㎛일 수 있으며, 톱니 격자(21)의 폭(d)이 3㎛ 보다 작은 경우에는 제조하기 어려워 제조 비용이 증가하는 문제가 있고, 톱니 격자(21)의 폭(d)이 20㎛보다 큰 경우에는 회절 현상이 발생하기 어렵다.
이와 같은 회절 광학계(20)에 입사한 레이저 빔(1)은 회절 광학계(20)를 통과하면서 복수개의 서브 레이저 빔(0, +1)으로 분리된다. 회절 광학계(20)가 톱니 격자(21)인 경우에는 0차 서브 레이저 빔(0)과 +1차 서브 레이저 빔(+1)으로 분리될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 회절 광학계를 통과한 서브 레이저 빔의 상쇄 간섭을 설명하는 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 0차 서브 레이저 빔(0)과 +1차 서브 레이저 빔(+1)간에는 경로차(t)가 발생하고, 초점면(focal plane)(F)에서 위상이 서로 반대가 되어 만나는 경우 상쇄 간섭을 일으키게 되어 레이저 빔(1)을 균일화시킬 수 있다.
이 때, 톱니 격자(21)에서 초점면(F)까지의 거리(L)는 톱니 격자(21)의 개수 및 톱니 격자(21)의 폭을 조절하여 변경할 수 있으며, 0차 서브 레이저 빔(0)과 +1차 서브 레이저 빔(+1)의 강도(intensity)는 톱니 격자(21)의 경사각(θ)을 조절하여 변경할 수 있다.
또한, 스테이지 승강기(40)를 이용하여 대상 기판(100)을 승강시키거나 회절 광학계 승강기(50)를 이용하여 회절 광학계(20)를 승강시킴으로써, 초점 심도(depth of focus) 영역 내에서, 0차 서브 레이저 빔(0)과 +1차 서브 레이저 빔(+1)이 상쇄 간섭을 일으키는 초점면(F)을 대상 기판(100)에 형성된 대상 박막(110)에 위치시켜 대상 박막(110)에 균일한 레이저 빔(1)이 도달하게 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 레이저 빔의 에너지 밀도의 그래프(X1)와 종래의 레이저 결정화 장치의 레이저 빔의 에너지 밀도의 그래프(X2)이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 레이저 빔(1)이 회절 광학계(20)를 통과하는 경우 레이저 빔(1)의 에너지 밀도의 진폭이 감소하게 되며, 따라서, 레이저 빔(1)을 이용한 결정화 공정 시, 스캔 무라가 감소함을 알 수 있다.
스테이지(30)는 대상 박막(110)으로 레이저 빔(1)에 대해 상대적으로 이동하며 대상 박막(110)의 모든 영역을 스캔하게 한다.
한편, 상기 제1 실시예에서 회절 광학계는 톱니 격자로 이루어졌으나, 삼각격자 또는 사각 격자로 이루어진 회절 광학계를 가지는 제2 실시예 및 제3 실시예도 가능하다.
이하에서, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예 및 제3 실시예에 따른 레이저 결정화 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 개략도이고, 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 개략도이다.
제2 실시예 및 제3 실시예는 도 1에 도시된 제1 실시예와 비교하여 회절 격자의 형상만을 제외하고 실질적으로 동일한 바 반복되는 설명은 생략한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 회절 격자(22)는 삼각 홈으로 이루어진 삼각 격자(22)일 수 있으며, 삼각 격자(22)의 개수는 50개/mm 내지 350개/mm일 수 있다. 삼각 격자(22)의 개수가 50개/mm보다 작은 경우에는 회절 현상이 충분히 발생하기 어려워 균일한 레이저 빔(1)을 형성할 수 없고, 삼각 격자(22)의 개수가 350개/mm보다 큰 경우에는 제조하기 어려워 제조비용이 증가하는 문제가 있다. 또한, 삼각 격자(22)의 폭(d)은 3㎛ 내지 20㎛일 수 있으며, 삼각 격자(22)의 폭(d)이 3㎛ 보다 작은 경우에는 제조하기 어려워 제조 비용이 증가하는 문제가 있고, 삼각 격자(22)의 폭(d)이 20㎛보다 큰 경우에는 회절 현상이 발생하기 어렵다.
이와 같은 회절 광학계(20)에 입사한 레이저 빔(1)은 회절 광학계(20)를 통과하면서 복수개의 서브 레이저 빔(-1, 0, +1)으로 분리된다. 회절 광학계(20)가 삼각 격자(22)인 경우에는 0차 서브 레이저 빔(0), +1차 서브 레이저 빔(+1) 및 -1차 서브 레이저 빔(-1)으로 분리될 수 있다.
0차 서브 레이저 빔(0), +1차 서브 레이저 빔(+1) 및 -1차 서브 레이저 빔(-1)간에는 초점면(focal plane)(F)에서 위상이 서로 반대가 되어 만나는 경우 상쇄 간섭을 일으키게 되어 레이저 빔(1)을 균일화시킬 수 있다.
이 때, 삼각 격자(22)에서 초점면(F)까지의 거리(L)는 삼각 격자(22)의 개수 및 삼각 격자(22)의 폭(d)을 조절하여 변경할 수 있으며, 0차 서브 레이저 빔(0), +1차 서브 레이저 빔(+1) 및 -1차 서브 레이저 빔(-1)의 강도(intensity)는 삼각 격자(22)의 경사각(θ)을 조절하여 변경할 수 있다.
또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 회절 격자(23)는 사각 홈으로 이루어진 사각 격자(23)일 수 있으며, 사각 격자(23)의 개수는 50개/mm 내지 200개/mm일 수 있다. 사각 격자(23)의 개수가 50개/mm보다 작은 경우에는 회절 현상이 충분히 발생하기 어려워 균일한 레이저 빔(1)을 형성할 수 없고, 사각 격자(23)의 개수가 350개/mm보다 큰 경우에는 제조하기 어려워 제조 비용이 증가하는 문제가 있다.
또한, 사각 격자(23)의 폭(d)은 3㎛ 내지 20㎛일 수 있으며, 사각 격자(23)의 폭(d)이 3㎛ 보다 작은 경우에는 제조하기 어려워 제조 비용이 증가하는 문제가 있고, 사각 격자(23)의 폭(d)이 20㎛보다 큰 경우에는 회절 현상이 발생하기 어렵다.
또한, 사각 격자(23)의 깊이(h)은 0.1㎛ 내지 20㎛일 수 있으며, 사각 격자(23)의 깊이(h)가 0.1㎛보다 작은 경우에는 0차 서브 레이저 빔의 에너지가 다른 차수 서브 레이저 빔에 비해 보다 많이 커지게 되어 에너지 균일화가 저하되고, 사각 격자(23)의 깊이(h)가 20㎛보다 큰 경우에는 가공이 어려워 제조 비용이 증가하는 문제가 있다.
이와 같은 회절 광학계(20)에 입사한 레이저 빔(1)은 회절 광학계(20)를 통과하면서 복수개의 서브 레이저 빔(-1, 0, +1)으로 분리된다. 회절 광학계(20)가 사각 격자(23)인 경우에는 0차 서브 레이저 빔(0), +1차 서브 레이저 빔(+1) 및 -1차 서브 레이저 빔(-1)으로 분리될 수 있다.
0차 서브 레이저 빔(0), +1차 서브 레이저 빔(+1) 및 -1차 서브 레이저 빔(-1)간에는 초점면(focal plane)(F)에서 위상이 서로 반대가 되어 만나는 경우 상쇄 간섭을 일으키게 되어 레이저 빔(1)을 균일화시킬 수 있다.
이 때, 사각 격자(22)에서 초점면(F)까지의 거리(L)는 사각 격자(23)의 개수 및 사각 격자(23)의 폭(d)을 조절하여 변경할 수 있으며, 0차 서브 레이저 빔(0), +1차 서브 레이저 빔(+1) 및 -1차 서브 레이저 빔(-1)의 강도(intensity)는 사각 격자(23)의 깊이(h)을 조절하여 변경할 수 있다.
한편, 상기 제1 실시예 내지 제3 실시예에서 회절 광학계는 고정되어 있으나, 회절 광학계를 진동시키는 제4 실시예도 가능하다.
이하에서, 도 6을 참조하여, 본 발명의 제4 실시예에 따른 레이저 결정화 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 개략도이다.
제4 실시예는 제1 실시예 내지 제3 실시예와 비교하여 고주파수 발생기만을 제외하고 실질적으로 동일한 바 반복되는 설명은 생략한다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 레이저 결정화 장치는 레이저 빔(1)를 발생시키는 레이저 발생기(10), 레이저 빔(1)을 회절시키는 회절 광학계(20), 레이저 빔(1)이 입사되어 결정화되는 대상 기판(100)이 탑재되는 스테이지(30), 스테이지(30)를 승강시키는 스테이지 승강기(40), 회절 광학계(20)를 승강시키는 회절 광학계 승강기(50), 그리고 회절 광학계(20)에 연결되어 있으며 회절 광학계(20)를 진동시키는 고주파 발생기(60)를 포함한다.
고주파 발생기(60)에서 발생한 고주파는 회절 광학계(20)의 무게 중심을 중심으로 회절 광학계(20)를 진동시켜 회절된 서브 레이저 빔을 분산시켜 레이저 빔(1)의 균일도를 향상시킬 수 있다.
이러한 고주파 발생기(60)에서 발생하는 고주파의 진동수는 25Hz 내지 200Hz일 수 있다. 고주파의 진동수가 25Hz보다 작은 경우에는 진동이 미약하여 레이저 빔(1)의 균일도를 향상시키기 어렵고, 고주파의 진동수가 200Hz보다 큰 경우에는 진동이 너무 커서 대상 기판(100)이 진동이 전달되어 무라를 유발할 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
1: 레이저 빔 10: 레이저 발생기
20: 회절 광학계 21: 톱니 격자
22: 삼각 격자 23: 사각 격자
30: 스테이지 40: 스테이지 승강기
50: 회절 광학계 승강기 60: 고주파수 발생기

Claims (16)

  1. 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생기,
    상기 레이저 빔을 회절시켜 상기 레이저 빔의 초점면에서 상기 레이저 빔을 균일화시키는 회절 광학계,
    상기 레이저 빔이 입사되어 결정화되는 대상 기판이 탑재되는 스테이지
    를 포함하고,
    상기 회절 광학계는 복수 개의 회절 격자가 일면에 형성되어 있는 회절 격자 렌즈이고,
    상기 회절 광학계는 상기 레이저 빔을 복수의 서브 레이저 빔으로 분리하고, 상기 회절 격자 렌즈를 통해, 상기 복수의 서브 레이저 빔은 서로 상쇄 간섭을 일으켜, 상기 레이저 빔을 균일화하는 레이저 결정화 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 회절 격자는 톱니 홈으로 이루어진 톱니 격자인 레이저 결정화 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 톱니 격자의 개수는 50개/mm 내지 350개/mm인 레이저 결정화 장치.
  5. 제3항에서,
    상기 톱니 격자의 폭은 3㎛ 내지 20㎛인 레이저 결정화 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 회절 격자는 삼각 홈으로 이루어진 삼각 격자인 레이저 결정화 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 삼각 격자의 개수는 50개/mm 내지 350개/mm인 레이저 결정화 장치.
  8. 제6항에서,
    상기 삼각 격자의 폭은 3㎛ 내지 20㎛인 레이저 결정화 장치.
  9. 제1항에서,
    상기 회절 격자는 사각 홈으로 이루어진 사각 격자인 레이저 결정화 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 사각 격자의 수는 50개/mm 내지 350개/mm인 레이저 결정화 장치.
  11. 제9항에서,
    상기 사각 격자의 폭은 3㎛ 내지 20㎛인 레이저 결정화 장치.
  12. 제9항에서,
    상기 사각 격자의 깊이는 0.1㎛ 내지 20㎛인 레이저 결정화 장치.
  13. 제1항에서,
    상기 회절 광학계에 연결되어 있으며 상기 회절 광학계를 진동시키는 고주파 발생기를 더 포함하는 레이저 결정화 장치.
  14. 제13항에서,
    상기 고주파 발생기에서 발생하는 고주파의 진동수는 60Hz 내지 100Hz인 레이저 결정화 장치.
  15. 제1항에서,
    상기 스테이지를 승강시켜 상기 초점면을 상기 대상 기판에 형성된 대상 박막에 위치시키는 스테이지 승강기를 더 포함하는 레이저 결정화 장치.
  16. 제1항에서,
    상기 회절 광학계를 승강시켜 상기 초점면을 상기 대상 기판에 형성된 대상 박막에 위치시키는 회절 광학계 승강기를 더 포함하는 레이저 결정화 장치.
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