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KR102582652B1 - 레이저 결정화 장치 - Google Patents

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KR102582652B1
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laser
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류제길
이혜숙
한규완
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삼성디스플레이 주식회사
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Abstract

본 발명은 단순한 구성으로 레이저 빔의 스펙클 노이즈를 감소시킬 수 있는 표시 장치용 레이저 결정화 장치에 관한 것으로, 레이저 빔을 출사하는 광원; 광원으로부터의 레이저 빔을 입사 받고, 그 입사된 레이저 빔의 진로 및 크기를 변경하여 출력하는 회절 격자; 회절 격자로부터의 레이저 빔을 분할하는 광분할부; 및 광분할부로부터의 분할된 레이저 빔을 중첩하여 기판으로 조사하는 광중첩부를 포함하며; 광원으로부터 회절 격자의 입사면에 조사된 레이저 빔과 회절 격자의 출사면에 대한 법선이 이루는 각은 예각이다.

Description

레이저 결정화 장치{LASER POLYCRYSTALLIZATION APPARATUS}
본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로, 특히 단순한 구성으로 레이저 빔의 스펙클 노이즈를 감소시킬 수 있는 표시 장치용 레이저 결정화 장치에 대한 것이다.
일반적으로 유기발광 표시 장치 또는 액정 표시 장치 등은 각 화소의 발광여부나 발광정도를 박막트랜지스터를 이용해 제어한다. 그러한 박막트랜지스터는 반도체층, 게이트전극 및 소스/드레인전극 등을 포함하는데, 반도체층으로는 비정질 실리콘을 결정화한 폴리실리콘이 주로 사용된다.
이와 같은 박막트랜지스터를 구비하는 박막트랜지스터 기판이나 이를 이용한 디스플레이 장치의 제조공정을 설명하면, 기판에 비정질 실리콘층(a-Si)을 형성하고 이를 폴리실리콘(P-Si)으로 결정화하는 과정을 거쳐, 박막트랜지스터 기판이나 이를 포함하는 디스플레이 장치를 제조하였다. 비정질 실리콘을 폴리실리콘으로 결정하는 방법으로 비정질 실리콘에 레이저 빔을 조사하는 방법이 사용된다.
본 발명은 레이저 빔의 스펙클 노이즈를 감소시킬 수 있는 레이저 결정화 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 결정화 장치는, 레이저 빔을 출사하는 광원; 상기 광원으로부터의 레이저 빔을 입사 받고, 그 입사된 레이저 빔의 진로 및 크기를 변경하여 출력하는 회절 격자; 상기 회절 격자로부터의 레이저 빔을 분할하는 광분할부; 및 상기 광분할부로부터의 분할된 레이저 빔을 중첩하여 기판으로 조사하는 광중첩부를 포함하며; 상기 광원으로부터 상기 회절 격자의 입사면에 조사된 레이저 빔과 상기 회절 격자의 출사면에 대한 법선이 이루는 각은 예각이다.
상기 각은 5도 내지 65도이다.
상기 회절 격자의 회절각은 0도이다.
상기 회절 격자의 파장 길이는 343nm이다.
상기 광 분할부는, 상기 회절 격자와 상기 광중첩부 사이에 위치하며, 상기 회절 격자로부터의 레이저 빔이 입사되는 복수의 반원기둥 형상의 제 1 렌즈들을 포함하는 제 1 렌즈 어레이; 및 상기 제 1 렌즈 어레이와 상기 광중첩부 사이에 위치하며, 상기 제 1 렌즈 어레이로부터의 광이 입사되는 복수의 반원기둥 형상의 제 2 렌즈들을 포함하는 제 2 렌즈 어레이를 포함한다.
상기 회절 격자와 상기 제 1 렌즈 어레이 사이의 거리는 100mm 내지 1000mm이다.
상기 제 1 렌즈 어레이와 상기 제 2 렌즈 어레이 사이의 거리는 135mm이다.
제 1 렌즈는 3mm의 두께 및 110.8mm의 곡률을 갖는다.
제 2 렌즈는 3mm의 두께 및 25.7mm의 곡률을 갖는다.
상기 제 1 렌즈 어레이, 상기 제 2 렌즈 어레이 및 상기 회절 격자 중 적어도 하나는 용융 실리카(fused silica)를 포함하는 물질로 이루어진다.
상기 광중첩부는 적어도 하나의 집광 렌즈를 포함한다.
상기 적어도 하나의 집광 렌즈는, 상기 광중첩부와 상기 기판 사이에 위치한 제 1 집광 렌즈; 및 상기 제 1 집광 렌즈와 상기 기판 사이에 위치한 제 2 집광 렌즈를 포함한다.
상기 제 1 집광 렌즈의 출사면 및 상기 제 2 집광 렌즈의 입사면이 볼록하다.
상기 제 1 집광 렌즈와 상기 제 2 집광 렌즈 간의 거리는 14000mm이다.
상기 제 2 집광 렌즈와 상기 기판 간의 거리는 500mm이다.
상기 제 1 집광 렌즈는 40mm의 두께 및 6822mm의 곡률을 갖는다.
제 2 집광 렌즈는 50mm의 두께 및 6822mm의 곡률을 갖는다.
상기 제 1 집광 렌즈 및 상기 제 2 집광 렌즈 중 적어도 하나는 용융 실리카(fused silica)를 포함하는 물질로 이루어진다.
상기 회절 격자는 투과형 블레이즈드 격자(blazed transmission grating)이다.
본 발명에 따른 레이저 결정화 장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 광원으부터의 레이저 빔은 회절 격자에 예각으로 입사된다. 이로 인해, 회절 격자에 입사되는 각 서브 광선들은 서로 다른 길이의 광 경로를 갖는다. 이러한 광 경로의 길이 차이로 인해 서브 광선들 간에 위상차가 발생되며, 이에 따라 각 서브 광선들 간의 가간섭성이 최소화될 수 있다. 그러므로, 기판에 입사되는 레이저 빔의 스펙클 노이즈가 최소화될 수 있다.
둘째, 위와 같은 입사각으로 인해 회절 격자를 통과한 레이저 빔의 크기가 증가한다. 따라서, 복수의 텔레스코프 렌즈들 없이도 레이저 빔의 배율이 증가할 수 있다. 그러므로, 레이저 결정화 장치의 구성이 단순화될 수 있다.
도 1은 비정질 실리콘 박막의 레이저 결정화를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 레이저 결정화 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 회절 격자에 대한 사시도이다.
도 4는 도 2의 광원, 회절 격자, 제 1 렌즈 어레이 및 제 2 렌즈 어레이에 대한 확대도이다.
도 5는 도 2의 광중첩부로부터 출사된 레이저 빔의 장축 방향으로의 세기를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2의 광원, 회절 격자, 제 1 렌즈 어레이 및 제 2 렌즈 어레이에 대한 다른 실시예의 확대도이다.
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. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 그에 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않고, 제 1 구성 요소가 제 2 또는 제 3 구성 요소 등으로 명명될 수 있으며, 유사하게 제 2 또는 제 3 구성 요소도 교호적으로 명명될 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조로 본 발명에 따른 레이저 결정화 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 비정질 실리콘 박막의 레이저 결정화를 나타내는 모식도이다.
도 1을 참조하면, 표시 장치의 기판(10) 상에 위치하는 비정질 실리콘 박막(11)에 레이저 빔(210)이 조사된다. 비정질 실리콘 박막(11)은 스퍼터링 방법, 감압 CVD, 또는 플라스마 CVD 방법 같은 종래의 방법에 의해 25nm부터 80nm까지의 두께로 실리콘 또는 실리콘 기반 물질(예를 들어, SixGe1-x)을 사용하여 형성된다. 비정질 실리콘 박막(11)이 형성된 기판(10)은 이동 트레이(150)상에 위치한다. 레이저 빔(210)이 조사되는 동안 이동 트레이(150)는 기판(10)을 화살표 방향으로 일정하게 이동하여 기판(10) 상의 비정질 실리콘 박막(11)에 레이저 빔(210)이 고르게 조사되도록 한다. 레이저 빔(210)이 조사된 비정질 실리콘 박막(11)은 다결정 실리콘 박막(12)으로 결정화된다. 비정질 실리콘 박막(11)의 결정화는 레이저 빔(210)이 수 나노초(nano second)동안 조사되어 비정질 실리콘의 온도를 급상승 시킨 후 냉각하는 것을 통해 비정질 실리콘을 용융 및 재결정시키는 원리이다.
다결정 실리콘은 폴리 실리콘(Po-Si)라고도 하며, 전계 효과 이동도(μFE)가 비정질 실리콘에 비해 수백 배 높고, 고주파에서 높은 신호처리 능력도 우수하여 유기발광 표시장치와 같은 디스플레이 장치에 사용될 수 있다.
레이저 빔(210)은 기판(10)의 넓은 기판에 고르게 조사될 수 있도록 직사각형의 형태로 출력된다. 여기서 직사각형의 장변 방향을 장축으로 정의하고, 단변 방향을 단축으로 정의한다. 레이저 결정화 장치(1000)에 사용되는 광원(도 2의 200)으로서 엑시머(excimer) 레이저, YAG(Yttrium Aluminum Garnet) 레이저, 유리 레이저, YVO4(Yttrium Orthovanadate) 레이저, Ar 레이저 등이 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 레이저 결정화 장치를 나타낸 도면이다.
본 발명의 레이저 결정화 장치(1000)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 광원(200), 회절 격자(300), 광분할부(400) 및 광중첩부(500)를 포함한다.
광원(200)은 레이저 광원으로서, 이는 레이저 빔(110)을 출사한다. 광원(200)에서 출사된 레이저 빔(110)은 가우시안 분포의 에너지 밀도를 갖는다. 예를 들어, 레이저 빔(110)의 중심부 에너지 밀도는 그 레이저 빔(110)의 주변부 에너지 밀도보다 더 높다.
회절 격자(300)는 광원(200)으로부터 레이저 빔(110)을 입사 받고, 그 입사된 레이저 빔(110)의 진로를 변경하여 출사한다. 이때, 회절 격자(300)는 레이저 빔(110)의 크기를 한 방향으로 확장하여 출사한다. 구체적으로, 회절 격자(300)는 장축 방향(X축 방향) 또는 단축 방향(Y축 방향)으로 레이저 빔(110)을 확장하여 이의 배율을 높인다. 배율이 증가된 레이저 빔(111)은 광분할부(400)로 조사된다.
광분할부(400)는 회절 격자(300)로부터의 레이저 빔(111)을 분할하여 복수의 서브 레이저 빔(112a)들을 생성한다. 즉, 광분할부(400)는 복수의 서브 레이저 빔(112a)들을 포함하는 레이저 빔(112)을 생성한다. 이를 위한 하나의 예로서, 광분할부(400)는 제 1 렌즈 어레이(401) 및 제 2 렌즈 어레이(402)를 포함할 수 있다.
제 1 렌즈 어레이(401)는 회절 격자(300)와 광중첩부(500) 사이에 위치한다. 구체적으로, 제 1 렌즈 어레이(401)는 회절 격자(300)와 제 2 렌즈 어레이(402) 사이에 위치한다. 제 1 렌즈 어레이(401)는 회절 격자(300)로부터의 레이저 빔(111)이 입사되는 복수의 렌즈(401a; 이하, 제 1 렌즈(401a))들을 포함할 수 있다. 각 제 1 렌즈(401a)는 반원기둥의 형상 또는 원기둥의 형상을 가질 수 있다. 복수의 제 1 렌즈(401a)들은 그 제 1 렌즈 어레이(401)의 입사면에 위치한다. 다시 말하여, 제 1 렌즈(401a)들은 각각 볼록한 입사면을 갖는다. 이 복수의 제 1 렌즈(401a)들은 장축 방향(X축 방향)을 따라 배치된다.
제 1 렌즈(401a)들 각각은 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈일 수 있다.
제 1 렌즈 어레이(401)의 출사면은 평면 형상을 갖는다. 다시 말하여, 제 1 렌즈(401a)들은 각각 평평한 출사면을 갖는다. 제 1 렌즈 어레이(401)에 입사된 레이저 빔(111)은 각 제 1 렌즈(401a)에 의해 굴절되어 복수의 서브 레이저 빔(112a)들로 분할된다. 제 1 렌즈 어레이(401)에 의해 분할된 각 서브 레이저 빔(112a)들은 초점(f)에 집속된 후 다시 분산되어 제 2 렌즈 어레이(402)로 입사된다.
제 2 렌즈 어레이(402)는 제 1 렌즈 어레이(401)와 광중첩부(500) 사이에 위치한다. 구체적으로, 제 2 렌즈 어레이(402)는 제 1 렌즈 어레이(401)와 제 1 집광 렌즈(501; condensing lens) 사이에 위치한다. 제 2 렌즈 어레이(402)는 제 1 렌즈 어레이(401)로부터의 레이저 빔(112)이 입사되는 복수의 렌즈(402a; 이하, 제 2 렌즈)들을 포함할 수 있다. 각 제 2 렌즈(402a)는 반원기둥의 형상 또는 원기둥의 형상을 가질 수 있다. 복수의 제 2 렌즈(402a)들은 그 제 2 렌즈 어레이(402)의 입사면에 위치한다. 다시 말하여, 제 2 렌즈(402a)들은 각각 볼록한 입사면을 갖는다. 이 복수의 제 2 렌즈(402a)들은 장축 방향(X축 방향)을 따라 배치된다. 제 2 렌즈 어레이(402)에 포함된 제 2 렌즈(402a)의 수는 제 1 렌즈 어레이(401)에 포함된 제 1 렌즈(401a)의 수와 동일할 수 있다.
제 2 렌즈(402a)들 각각은 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈일 수 있다.
제 2 렌즈 어레이(402)의 출사면은 평면 형상을 갖는다. 다시 말하여, 제 2 렌즈(402a)들은 각각 평평한 출사면을 갖는다. 제 2 렌즈 어레이(402)에 입사된 레이저 빔(112)은 각 제 2 렌즈(402a)에 의해 굴절되어 광중첩부(500)로 출사된다.
광중첩부(500)는 광분할부(400)로부터의 분할된 서브 레이저 빔(112a)들을 중첩하여 출사한다. 다시 말하여, 광중첩부(500)는 제 2 렌즈 어레이(402)로부터 레이저 빔(112)을 조사받고, 그 조사받은 레이저 빔(112)에 포함된 복수의 서브 레이저 빔(112a)들을 중첩하여 출사한다.
광중첩부(500)는 적어도 하나의 집광 렌즈를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 광중첩부(500)는 제 1 집광 렌즈(501) 및 제 2 집광 렌즈(502)를 포함할 수 있다.
제 1 집광 렌즈(501)는 광중첩부(400)와 기판(10) 사이에 위치한다. 구체적으로, 제 1 집광 렌즈(501)는 제 2 렌즈 어레이(402)와 제 2 집광 렌즈(502) 사이에 위치한다.
제 2 집광 렌즈(502)는 제 1 집광 렌즈(501)와 기판(10) 사이에 위치한다.
제 1 집광 렌즈(501)는 평평한 입사면 및 볼록한 출사면을 가지며, 제 2 집광 렌즈(502)는 볼록한 입사면 및 평평한 출사면을 갖는다. 다시 말하여, 제 1 집광 렌즈(501)의 볼록한 면과 제 2 집광 렌즈(502)의 볼록한 면은 서로 마주본다.
제 1 집광 렌즈(501) 및 제 2 집광 렌즈(502)는 장축 방향(X축 방향)으로 확산된 서브 레이저 빔(112a)들을 장축 방향(X축 방향)으로 평행하게 굴절시켜 출사한다. 제 2 집광 렌즈(502)에서 출사된 서브 레이저 빔(112a)들은 장축 방향(X축 방향)으로 균일한 에너지 밀도를 갖는다. 제 2 집광 렌즈(502)를 통과한 서브 레이저 빔(112a)들은 기판(10)에 조사된다. 즉, 제 2 집광 렌즈(502)를 통과한 레이저 빔(210)은 복수의 서브 레이저 빔(112a)들을 포함하는 바, 이 레이저 빔(210)은 기판(10)에 조사된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 회절 격자(300)와 제 1 렌즈 어레이(401) 간의 거리(d1)는 100mm 내지 1000mm일 수 있다. 구체적으로, 회절 격자(300)의 출사면과 제 1 렌즈 어레이(401)의 입사면 간의 거리(d1)는 100mm 내지 1000mm일 수 있다.
제 1 렌즈 어레이(401)와 제 2 렌즈 어레이(402) 간의 거리(d2)는 135mm일 수 있다. 구체적으로, 제 1 렌즈 어레이(401)의 출사면과 제 2 렌즈 어레이(402)의 입사면 간의 거리(d2)는 135mm일 수 있다.
제 2 렌즈 어레이(402)와 제 1 집광 렌즈(501) 간의 거리(d3)는 323mm일 수 있다. 구체적으로, 제 2 렌즈 어레이(402)의 출사면과 제 1 집광 렌즈(501)의 입사면 간의 거리(d3)는 323mm일 수 있다.
제 1 집광 렌즈(501)와 제 2 집광 렌즈(502) 간의 거리(d4)는 14000mm일 수 있다. 구체적으로, 제 1 집광 렌즈(501)의 출사면과 제 2 집광 렌즈(502)의 입사면 간의 거리(d4)는 14000mm일 수 있다.
제 2 집광 렌즈(502)와 기판(10) 간의 거리(d5)는 500mm일 수 있다. 구체적으로, 제 2 집광 렌즈(502)의 출사면과 기판(10)의 조사면 간의 거리는 500mm일 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 렌즈 어레이(401)에 포함된 제 1 렌즈(401a)의 두께(t1)는 3mm이며, 그 제 1 렌즈 어레이(401)에 포함된 제 1 렌즈(401a)의 곡률(radius of curvature)은 110.8mm이다.
제 2 렌즈 어레이(402)에 포함된 제 2 렌즈(402a)의 두께(t2)는 3mm이며, 그 제 2 렌즈 어레이(402)에 포함된 제 2 렌즈(402a)의 곡률은 25.7mm이다.
제 1 집광 렌즈(501)의 두께(t3)는 40mm이며, 그 제 1 집광 렌즈(501)의 곡률은 6822mm이다.
제 2 집광 렌즈(502)의 두께(t4)는 50mm이며, 그 제 2 집광 렌즈(502)의 곡률은 6822mm이다.
회절 격자(300), 제 1 렌즈 어레이(401), 제 2 렌즈 어레이(402), 제 1 집광 렌즈(501) 및 제 2 집광 렌즈(502) 중 적어도 하나는 용융 실리카(fused silica)를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
한편, 도시되지 않았지만, 제 1 렌즈 어레이(401)와 제 2 렌즈 어레이(402) 사이, 제 2 렌즈 어레이(402)와 제 1 집광 렌즈(501) 사이, 제 1 집광 렌즈(501)와 제 2 집광 렌즈(502) 사이에 각각 공기층이 위치할 수 있다.
도 3은 도 2의 회절 격자에 대한 사시도이고, 도 4는 도 2의 광원, 회절 격자, 제 1 렌즈 어레이 및 제 2 렌즈 어레이에 대한 확대도이고, 그리고 도 5는 도 2의 광중첩부로부터 출사된 레이저 빔의 장축 방향으로의 세기를 나타낸 도면이다. 도 5의 가로축은 레이저 빔의 단면을 나타내며, 도 5의 세로축은 레이저 빔의 세기를 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 회절 격자(300)는 장축 방향(X축 방향)을 따라 배열된 복수의 격자(350)들을 포함한다. 각 격자(350)는 삼각형의 형상을 가질 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 회절 격자(300)에 포함된 격자(350)의 밑면은 하측을 향한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광원(200)으로부터 회절 격자(300)의 입사면(300a)에 조사된 레이저 빔(110)과 회절 격자(300)의 출사면(300b)에 대한 법선(311)이 이루는 각(α; 이하, 입사각)은 예각이다. 구체적으로, 그 입사각(α)은 5도 내지 65도일 수 있다. 예를 들어, 그 입사각(α)은 45도일 수 있다.
이러한 레이저 빔(110)의 입사각(α)으로 인해 그 회절 격자(300)를 통과한 레이저 빔(111)은 그 회절 격자(300)를 통과하기 전의 레이저 빔(110)보다 더 큰 크기를 갖는다. 다시 말하여, 회절 격자(300)를 통과한 레이저 빔(111)의 배율은 증가한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 회절 격자(300)를 통과한 레이저 빔(111)은 광원(200)으로부터 출사된 레이저 빔(110)보다 장축 방향(X축 방향)으로 더 큰 폭을 갖는다(W2>W1). 다시 말하여, 회절 격자(300)를 통과한 레이저 빔(111)의 폭(W2)은 회절 격자(300)를 통과하기 이전의 레이저 빔(110)의 폭(W1)보다 더 크다. 이와 같이 회절 격자(300)를 통과한 레이저 빔(111)의 크기가 증가하므로, 복수의 텔레스코프 렌즈들(telescope lenses) 없이도 레이저 빔(111)의 배율이 증가할 수 있다. 그러므로, 레이저 결정화 장치(1000)의 구성이 단순화될 수 있다.
회절 격자(300)는 0도의 회절각을 가질 수 있다. 여기서, 회절각은 회절 격자(300)의 법선(311)과 회절 격자(300)로부터 출사되는 레이저 빔(111)이 이루는 각을 의미한다.
회절 격자(300)의 파장 길이(working wavelength)는 343nm일 수 있다.
광원(200)으로부터 출사된 레이저 빔(110)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 서브 광선들(L1, L2, L3, L4, L5, L6)을 포함할 수 있는 바, 이 서브 광선들(L1 내지 L6)은 서로 평행하다. 이 서브 광선들(L1 내지 L6)은 전술된 바와 같은 입사각(α)으로 회절 격자(300)의 입사면(300a)에 입사된다. 이로 인해, 회절 격자(300)의 입사면(300a)에 입사되는 각 서브 광선들(L1 내지 L6)은 서로 다른 길이의 광 경로를 갖는다. 예를 들어, 그 서브 광선들(L1 내지 L6) 중 회절 격자(300)의 가장 상측에 위치한 입사면에 입사되는 서브 광선(L1)이 가장 긴 광 경로를 가지며, 회절 격자(300)의 가장 하측에 위치한 입사면에 입사되는 서브 광선(L6)이 가장 짧은 경로를 갖는다. 다시 말하여, 서브 광선은 회절 격자(300)의 상측으로 입사될수록 더욱 긴 광 경로를 갖는다. 이러한 광 경로의 길이 차이로 인해 서브 광선들(L1 내지 L6) 간에 위상차(phase delay)가 발생되며, 이에 따라 각 서브 광선들(L1 내지 L6) 간의 가간섭성(coherence)이 최소화될 수 있다. 그러므로, 기판(10)에 입사되는 레이저 빔(210)의 스펙클 노이즈(speckle noise)가 최소화될 수 있다.
한편, 전술된 바와 같이, 광원(200)에서 출사된 레이저 빔(110)은 가우시안 분포의 에너지 밀도를 갖는다. 예를 들어, 레이저 빔(110)의 중심부에 위치한 서브 광원들(L3, L4)의 에너지 밀도는 상대적으로 높으며, 그 레이저 빔의 주변부에 위치한 서브 광원들(L1, L2, L5, L6)의 에너지 밀도는 상대적으로 낮다.
회절 격자(300)는 특정 회절 차수(diffraction order) 또는 스펙트럼 차수(spectrum order)에서 최대의 회절 격자(300) 효율을 가질 수 있는 굴절형 블레이즈드 그레이팅(blazed grating) 또는 투과형 블레이즈드 그레이팅일 수 있다. 이와 같은 회절 격자(300)가 사용될 때, 특정 회절 차수에서 대부분의 광출력(optical power)은 최대 회절 격자 효율을 가질 수 있으며, 또한 다른 회절 차수에서 광출력의 손실이 최소화될 수 있다. 예를 들어, 이 손실은 거의 0일 수 있다. 이러한 회절 격자(300)는 특정 파장 길이, 예를 들어 블레이즈 파장 길이(blaze wavelength)에서 동작할 수 있다.
회절 격자(300)의 격자 방정식은 아래의 수학식1에 의해 정의될 수 있다.
<수학식1>
d(sinα+sinβ)=mλ
위의 수학식1에서 d는 격자 상수를 의미하며, α는 입사각을 의미하며, β는 회절각을 의미하며, m은 회절 차수를 의미하며, 그리고 λ은 입사광(즉, 광원(200)으로부터 회절 격자(300)의 입사면(300a)으로 입사된 광)의 파장 길이를 의미한다.
도 4에 도시된 회절 격자(300)의 격자 형상 배율(M; geometry grating magnification)은 아래의 수학식2에 의해 정의될 수 있다.
<수학식2>
M=1/cosα
제 1 렌즈 어레이(401)의 인접한 제 1 렌즈(401a)들을 통과하는 서브 광선들(L1 내지 L6)의 위상차는 아래의 수학식3에 의해 정의될 수 있다.
<수학식3>
Δ=PLA*sinα
위의 수학식3에서 PLA는 제 1 렌즈(401a)(또는 제 2 렌즈(402a))의 피치(pitch)를 의미한다.
광원(200)으로부터의 레이저 빔(110)이 343nm의 파장 길이 및 0.1nm의 스펙트럼 대역폭(spectral bandwidth)을 갖는 경우, 공간적 가간섭성 길이(spatial coherence length; L)는 아래의 수학식4에 의해 정의될 수 있다.
<수학식4>
여기서, L은 약 7.8mm이다.
전술된 회절 격자(300)의 입사각(α)은 45도이고, 그 회절 격자(300)의 회절각(β)은 0도일 수 있다. 이때, 수학식1의 회절 차수(m)가 1일 경우, 격자 상수(d)는 485um이다. 한편, 수학식3에 나타난 바와 같이, 8mm의 피치(PLA)를 갖는 서브 광선들 간의 위상차는 11.3mm이다. 이 수치는 가간섭성 길이(coherence length; 7.8mm)보다 더 크다. 따라서, 기판(10)에 조사되는 레이저 빔(210)의 분포는 간섭 효과(interference effects)에 영향을 받지 않는다. 즉, 기판(10)에 조사되는 레이저 빔(210)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 장축 방향(X축 방향)으로 균질화된 세기를 가질 수 있다. 한편, 수학식2에서의 배율(M)은 1.4이다.
도 6은 도 2의 광원, 회절 격자, 제 1 렌즈 어레이 및 제 2 렌즈 어레이에 대한 다른 실시예의 확대도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 회절 격자(300)에 포함된 격자(350)의 밑면이 상측을 향하고 있다. 즉, 도 4의 회절 격자(300)에 포함된 격자(350)의 밑면은 하측을 향하고 있는 반면, 도 6의 회절 격자(300)에 포함된 격자(350)의 밑면은 상측을 향하고 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
200: 광원 110, 111, 112: 레이저 빔
300: 회절 격자 300a: 입사면
300b: 출사면 112a: 서브 레이저 빔
401: 제 1 렌즈 어레이 402: 제 2 렌즈 어레이
401a: 제 1 렌즈 402a: 제 2 렌즈
311: 법선 L1-L4: 서브 광선
350: 격자 α: 입사각
f: 초점 W1, W2: 폭

Claims (19)

  1. 복수의 서브 빔을 포함하는 레이저 빔을 출사하는 광원;
    상기 광원으로부터의 레이저 빔을 입사 받고, 그 입사된 레이저 빔의 진로 및 크기를 변경하여 출력하는 회절 격자;
    상기 회절 격자로부터의 레이저 빔을 분할하는 광분할부; 및
    상기 광분할부로부터의 분할된 레이저 빔을 중첩하여 기판으로 조사하는 광중첩부를 포함하며;
    상기 광원으로부터 상기 회절 격자의 입사면에 조사된 레이저 빔과 상기 회절 격자의 출사면에 대한 법선이 이루는 각은 예각이고,
    상기 광 분할부는,
    상기 회절 격자와 상기 광중첩부 사이에 위치하며, 상기 회절 격자로부터의 레이저 빔이 입사되는 복수의 반원기둥 형상의 제1 렌즈들을 포함하는 제 1 렌즈 어레이를 포함하고,
    인접한 상기 제1 렌즈들을 통과하는 서브 빔들 간의 위상차는 상기 레이저 빔의 공간적 가간섭성 길이보다 큰, 레이저 결정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각은 5도 내지 65도인 레이저 결정화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회절 격자의 회절각은 0도인 레이저 결정화 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회절 격자의 파장 길이는 343nm인 레이저 결정화 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 분할부는,
    상기 제 1 렌즈 어레이와 상기 광중첩부 사이에 위치하며, 상기 제 1 렌즈 어레이로부터의 레이저 빔이 입사되는 복수의 반원기둥 형상의 제 2 렌즈들을 포함하는 제 2 렌즈 어레이를 포함하는 레이저 결정화 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 회절 격자와 상기 제 1 렌즈 어레이 사이의 거리는 100mm 내지 1000mm인 레이저 결정화 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈 어레이와 상기 제 2 렌즈 어레이 사이의 거리는 135mm인 레이저 결정화 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    제 1 렌즈는 3mm의 두께 및 110.8mm의 곡률을 갖는 레이저 결정화 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    제 2 렌즈는 3mm의 두께 및 25.7mm의 곡률을 갖는 레이저 결정화 장치.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈 어레이, 상기 제 2 렌즈 어레이 및 상기 회절 격자 중 적어도 하나는 용융 실리카(fused silica)를 포함하는 물질로 이루어진 레이저 결정화 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광중첩부는 적어도 하나의 집광 렌즈를 포함하는 레이저 결정화 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 집광 렌즈는,
    상기 광중첩부와 상기 기판 사이에 위치한 제 1 집광 렌즈; 및
    상기 제 1 집광 렌즈와 상기 기판 사이에 위치한 제 2 집광 렌즈를 포함하는 레이저 결정화 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 집광 렌즈의 출사면 및 상기 제 2 집광 렌즈의 입사면이 볼록한 레이저 결정화 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 집광 렌즈와 상기 제 2 집광 렌즈 간의 거리는 14000mm인 레이저 결정화 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 집광 렌즈와 상기 기판 간의 거리는 500mm인 레이저 결정화 장치.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 집광 렌즈는 40mm의 두께 및 6822mm의 곡률을 갖는 레이저 결정화 장치.
  17. 제 12 항에 있어서,
    제 2 집광 렌즈는 50mm의 두께 및 6822mm의 곡률을 갖는 레이저 결정화 장치.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 집광 렌즈 및 상기 제 2 집광 렌즈 중 적어도 하나는 용융 실리카(fused silica)를 포함하는 물질로 이루어진 레이저 결정화 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 회절 격자는 투과형 블레이즈드 격자(blazed transmission grating)인 레이저 결정화 장치.
















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