비정질 실리콘 결정화용 레이저 조사 장치 document_id A220623030265

본 발명은 레이저 조사 장치에 관한 것으로, 특히 액정표시장치 또는 유기전계발광소자의 반도체층을 이루는 비정질 실리콘을 폴리실리콘으로 결정화하는데 이용되는 레이저 조사 장치에 관한 것이다. 일반적으로 실리콘은 결정상태에 따라 비정질 실리콘(amorphous silicon)과 결정질 실리콘(crystalline silicon)으로 나눌 수 있다. 상기 비정질 실리콘은 낮은 온도에서 증착하여 박막을 형성하는 것이 가능하며, 주로 낮은 용융점을 가지는 유리를 기판으로 사용하는 액정표시장치의 스위칭 소자인 박막 트랜지스터에 많이 사용되고 있다. 그런데, 이러한 비정질 실리콘을 이용한 박막 트랜지스터를 구동하기 위해서는 구동회로가 필요하다. 구동 회로는 다수의 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)소자를 포함하는 데, 이런 CMOS 소자를 형성하기 위해서는 이동도 특성의 우수한 폴리 실리콘(poly crystalline silicon)이 이용된다. 폴리 실리콘을 이용한 액정표시장치에서는 박막 트랜지스터와 구동 회로를 동일한 기판 상에 형성할 수 있으며, 박막 트랜지스터와 구동 회로를 연결하는 과정이 불필요하므로 공정이 간단해 진다. 또한 상기 폴리실리콘을 이용한 박막 트랜지스터는 유기전계 발광장치에도 이용되고 있다. 이러한 폴리실리콘을 형성하는 방법은 고상 결정화법(Solid Phase Crystallization : SPC), 급속 열처리법(Rapid Thermal Annealing : RTA), 엑시머 레이저 어닐닝 법 등 여러 방법이 있으며, 이중에서 엑시머 레이저 빔을 조사함으로써 결정화하는 방법이 가장 많이 이용되고 있다. 이때, 레이저 빔을 이용한 결정화는 일반적인 그 끝이 뾰족한 펄스파 형태의 레이저 빔은 그 중앙부와 주변부에서의 에너지 밀도차가 너무 심하며, 그 조사되는 영역이 매우 국부적이 되므로 비정질 실리콘의 결정화 장치로서 이용할 수 없으며, 그 표면이 어느 정도 플랫한 펄스파의 빔 형태를 갖도록 변형됨으로써 비교적 넓은 영역에 그 레이저빔이 조사되는 영역에 대해서는 그 에너지 밀도 또한 어느 정도 일정하도록 가공된 레이저 빔을 이용해야만 결정화 공정을 진행할 수 있다. 도 1은 종래의 뾰족한 펄스파 형태의 레이저 빔을 플랫한 표면을 갖는 펄스파 형태의 레이저 빔을 만들기 위한 레이저 조사 장치의 내부의 구성을 간략히 단면도이다. 도시한 바와같이, 플랫한 표면을 갖는 형태의 레이저 빔을 조사하는 레이저 조사장치(1)는, 뾰족한 펄스파 형태의 레이저 빔(LB1)을 발생시키는 레이저 발생장치(10)와, 상기 발생된 레이저 빔이 진행하는 영역에 대해 다수의 단축렌즈(short axis lens)로 구성된 제 1 호모지나이저(homogenizer)(15) 및 제 2 호모지나이저(20)가 서로 소정간격 이격하고 있으며, 상기 제 2 호모지나이저(20) 이후 상기 빔의 진행방향으로 소정 간격 이격하여 단축 집광렌즈(short axis condenser lens)(25)가 위치하고 있으며, 상기 단축 집광렌즈(25)의 다음에는 대물(對物) 렌즈(field lens)(30) 및 이와 이격하여 슬릿(35)이 구성되고 있다. 이러한 구성을 갖는 레이저 조사장치(1)의 내부를 뾰족한 펄스파 형태의 레이저 빔(LB1)이 통과함으로서 최종적으로 도시한 바와 같은 그 표면이 플랫한 펄스파 형태의 레이저 빔(LB2)을 만들 수 있으며, 이러한 형태의 레이저 빔을 기판상에 증착된 비정질 실리콘층에 소정간격 중첩 조사시킴으로써 폴리실리콘으로 결정화할 수 있게 된다. 도 2는 전술한 종래의 플랫한 펄스파 형태를 갖는 레이저 빔 조사가 가능한 레이저 장치를 통해 소정간격 이격하며 연속적으로 조사했을 때의 레이저 빔의 파형을 도시한 도면이다. 도시한 바와같이, 대체적으로 일정한 크기(에너지 크기)를 가지며 조사되지만, 중간 중간 갑자기 증폭된 크기의 레이저 빔이 조사된 것을 알 수 있다. 이러한 갑자기 증폭되는 레이저 빔 발생이 없다면, 그 표면이 플랫한 펄스파 형태의 레이저 빔 조사에 의한 결정화는 아주 안정적인 결정화 공정을 진행할 수 있지만, 도시한 바와같이, 갑자기 증폭되어 그 펄스의 높이가 큰 파형을 갖는 레이저 빔이 불규칙적으로 만들어지는 현상이 발생됨으로써 이러한 비정상적인 펄스파 형태의 레이저 빔 조사에 의해 결정화 된 반도체층을 이용하여 특히 유기전계발광소자를 형성하였을 경우, 도 3에 도시한 바와 같은 줄무늬 불량이 발생하고 있다. 레이저 조사장치는 그 특성상 표본표준편차(Stdev)가 1% 내외이며, 동일한 펄스파 형태로 조사된다고 하더라도 펄스의 최대치와 최소치 간에는 10% 정도의 차이가 나고 있다. 이러한 장비특성은 레이저 빔의 안정성을 떨어뜨리게 되며 최종적으로는 레이저 빔 조사에 의한 줄무늬 불량을 야기 시키거나 또는 공정 창(process window)을 줄이는 등의 악영향을 끼치게 된다. 따라서, 레이저 빔 조사에 의한 안정적인 비정질 실리콘의 결정화 공정을 진행하기 위한 레이저 조사 장치가 요구되고 있다.