디스플레이 백플레인 공정 #06 — ELA ① 나노초의 마법, 비정질에서 다결정으로

드디어 이 시리즈에서 가장 극적인 공정에 도착했습니다. 이름은 ELA(Excimer Laser Annealing). 자외선 레이저가 실리콘 막을 수십 나노초 동안 녹였다가 굳히는, 눈 깜빡할 새보다 백만 배쯤 짧은 순간에 재료의 운명이 결정되는 공정입니다. LTPS의 'P(다결정)'가 만들어지는 바로 그 순간이며, LTPS라는 이름 자체가 이 공정 덕분에 존재합니다.

왜 이렇게까지 하는가 — 성능의 격차

비정질과 다결정의 차이는 취향의 문제가 아니라 자릿수의 문제입니다.

• 전자 이동도 — a-Si:H는 0.5~1 cm²/Vs 수준인 반면, LTPS는 그보다 100배 안팎 높은 영역까지 올라갑니다.
• 정공 이동도 — a-Si는 사실상 P형 소자를 만들기 어렵지만, LTPS는 가능합니다(CMOS 구성 가능).
• 온·오프 전류비 — a-Si가 10⁵ 수준일 때 LTPS는 10⁹ 이상.
• 대신 잃는 것 — a-Si가 자랑하던 균일성. LTPS는 문턱전압·이동도의 산포가 커집니다.

항목	a-Si:H	ELA 다결정 실리콘	차이의 성격
원자 배열	무질서(장거리 규칙 없음)	결정립의 모자이크	구조가 다름
전자 이동도	0.5~1 cm²/Vs	수십~수백 cm²/Vs	약 100배
P형 소자	사실상 불가	가능(CMOS 구성)	회로 설계 자유도
온·오프 비	약 10⁵	10⁹ 이상	네 자릿수
소자 간 산포	작음	큼(결정립 경계 위치 의존)	LTPS가 불리
공정 단계	적음	많음(레이저 공정 추가)	원가 차이

전자 입장에서 비정질은 안개 낀 자갈길, 다결정은 포장도로입니다. 다만 포장도로에는 이음매(결정립 경계)가 있고, 그 이음매가 자리마다 다르게 깔린다는 것이 LTPS의 숙명입니다. 1편에서 "LTPS는 이동도에서 압도적이지만 균일도에서 진다"고 한 이유가 이 표의 다섯 번째 줄입니다. LTPS 공정의 절반은 이 균일성을 되찾기 위한 싸움이라고 해도 지나치지 않습니다.

왜 레이저여야 하는가

실리콘을 결정화하는 가장 단순한 방법은 오래 굽는 것입니다(고상 결정화). 하지만 디스플레이에서는 불가능합니다 — 앞 편에서 본 온도의 천장 때문입니다. 유리는 변형점을 넘으면 형상이 흐트러지고, 플렉시블 PI 기판은 그보다도 낮은 온도에서 손상됩니다.

레이저가 이 딜레마를 우아하게 풉니다. 핵심은 "표면만, 아주 잠깐"입니다. 자외선 레이저 펄스는 실리콘 표면 수십 나노미터 깊이에서 거의 전부 흡수되어 그 얇은 층만 순간적으로 녹입니다. 308nm 자외선에 대한 실리콘의 흡수 깊이는 10nm 이하로, 두께 50nm짜리 실리콘 막에서도 빛은 표면 근처에서 끝납니다.

그런데 흡수가 얕다는 것만으로는 부족합니다. 열은 흡수된 자리에 머물지 않고 퍼지기 때문입니다. 여기서 결정적인 것이 시간입니다. 열이 시간 t 동안 퍼지는 거리는 대략 √(D·t)이고(D는 열확산계수), 나노초 단위에서는 이 값이 극도로 작아집니다.

펄스 폭	실리콘에서 열이 퍼지는 거리	유리에서 퍼지는 거리	의미
10ns	약 0.92μm	약 0.06μm	실리콘 막 두께의 수십 배
30ns	약 1.60μm	약 0.10μm	문헌에 자주 등장하는 펄스 폭
50ns	약 2.06μm	약 0.13μm	장펄스형
200ns	약 4.12μm	약 0.26μm	열이 기판으로 새기 시작

표의 세 번째 열이 이 공정의 존재 이유입니다. 유리의 열확산계수는 실리콘의 260분의 1 수준이라(88 대 0.34 mm²/s), 30ns 펄스에서 열이 유리 안으로 파고드는 깊이는 0.1μm 남짓입니다. 유리 두께가 0.5mm 안팎이니, 데워지는 것은 최상층의 5,000분의 1에 불과합니다. 결과적으로 실리콘은 1,400℃ 넘게 녹았다 굳는데 그 밑의 유리는 거의 데워지지 않는 일이 벌어집니다. 5편에서 "온도를 올릴 것인가, 시간을 늘릴 것인가"라고 했던 질문에, ELA는 온도를 극단으로 올리고 시간을 극단으로 줄이는 답을 내놓은 셈입니다.

나노초의 시간표 — 녹고 굳기까지

한 발의 펄스 안에서 벌어지는 일을 시간 순으로 늘어놓으면 이 공정의 성격이 더 분명해집니다.

• 0~수 ns — 흡수. 자외선이 표면 10nm 이내에서 전자를 들뜨게 하고, 그 에너지가 격자로 넘어가며 온도가 치솟습니다.
• 수~수십 ns — 용융. 표면부터 녹기 시작해 용융 전선(melt front)이 아래로 내려갑니다. 어디까지 내려가느냐가 뒤에 나올 에너지 밀도 구간을 가릅니다.
• 수십~수백 ns — 응고. 펄스가 끝나면 열이 아래로 빠져나가며 아래에서 위로 굳습니다. 응고 전선의 속도는 초속 수 미터 수준으로, 금속 주조의 응고보다 여섯 자릿수 이상 빠릅니다.

여기서 중요한 개념이 과냉각입니다. 이렇게 빨리 굳으면 액체는 녹는점보다 한참 낮은 온도까지 내려간 뒤에야 굳기 시작합니다. 과냉각이 깊을수록 핵이 여기저기서 동시에 생겨 결정립이 잘게 쪼개집니다. 반대로 과냉각이 얕으면 이미 있는 씨앗에서 천천히 자라 큰 결정립이 됩니다. 뒤에 나올 네 구간의 차이는 결국 씨앗이 몇 개 살아남았는가와 액체가 얼마나 과냉되었는가의 조합입니다.

에너지 밀도가 결정립을 정한다

그렇다면 레이저를 세게 쏠수록 좋을까요? 그렇지 않습니다. ELA에서 가장 흥미로운 부분이 여기입니다 — 에너지 밀도에 따라 결정화 양상이 완전히 달라집니다.

구간	용융 상태	결정화 기구	결정립 크기	평가
① 저에너지	표층만 용융	폭발적 결정화	매우 미세	이동도 낮음
② 부분 용융	위쪽만 용융, 아래 잔존	남은 씨앗에서 세로 성장	기둥형, 막 두께 수준	안정적이나 평범
③ 거의 완전 용융	극소수 씨앗만 생존	초측면 성장(가로 성장)	막 두께보다 큼, 1μm 초과 가능	최적 — 그러나 창이 좁음
④ 완전 용융	씨앗 전멸	과냉 후 균질 핵생성	다시 미세	이동도 급락

이 4구간 구분은 학술 문헌에도 그대로 정리되어 있습니다("Excimer laser crystallization techniques for polysilicon TFTs," Applied Surface Science 154–155, 95 (2000)). 엑시머 레이저 결정화는 부분 용융 영역, 완전 용융 임계값을 넘는 고에너지 영역, 그리고 그 사이의 전이 영역으로 나뉘며, 가장 큰 결정립은 이 전이 영역의 초측면 성장(super lateral growth)에서 얻어집니다 — 녹지 않고 남은 실리콘 섬을 씨앗 삼아 액상에서 옆으로 재성장하는 현상으로, 결정립이 1μm를 넘길 수 있습니다.

문제는 이 구간이 지독하게 좁다는 점입니다. 문헌은 이 영역의 에너지 창이 매우 좁아 빔 프로파일의 균일성과 펄스 간 안정도가 2%보다 좋아야 한다고 보고합니다("Excimer laser crystallization techniques for polysilicon TFTs," Applied Surface Science 154–155, 95 (2000)). 5편에서 RTA의 관리 항목이 "시간보다 피크 온도의 정확도"라고 했는데, ELA는 그보다 훨씬 가혹합니다. 펄스마다 에너지가 몇 % 출렁이면 그 출렁임이 그대로 결정립 크기의 얼룩이 되고, 최종적으로 화면의 밝기 얼룩(무라)으로 드러납니다. 레이저의 펄스 간 에너지 안정도가 곧 화질이라는 말이 여기서 나옵니다.

한 번이 아니라 여러 번 — 중첩 조사

ELA는 라인 형태의 빔을 조금씩 이동시키며 같은 자리를 여러 발 맞도록 겹쳐서 진행합니다. 한 발로 끝내면 결정립의 크기와 방향이 들쭉날쭉하지만, 같은 자리를 다시 녹였다 굳히면 작은 결정립은 사라지고 큰 결정립이 더 커지는 방향으로 재배열됩니다 — 2차 결정립 성장(secondary grain growth)입니다. 결정 방향이 유리한 결정립이 이웃을 흡수하며 자라는 현상입니다.

몇 발을 맞힐지는 오버랩률이 정합니다. 빔 폭 대비 스캔 피치를 얼마나 촘촘하게 두느냐의 문제이고, 관계는 단순합니다 — 같은 자리를 맞는 횟수는 1/(1−오버랩률)입니다.

오버랩률	같은 자리 피격 횟수	스캔 피치(빔 폭 400μm 기준)	성격
50%	2발	200μm	빠르지만 균일도 부족
80%	5발	80μm	—
90%	10발	40μm	—
95%	20발	20μm	샷 수와 피치의 균형점
98%	50발	8μm	균일도는 좋으나 처리량 급락

표가 보여주는 것은 품질과 처리량의 정직한 교환입니다. 오버랩을 95%에서 98%로 3%p 올리면 같은 자리를 맞는 횟수는 20발에서 50발로 2.5배가 되지만, 기판 한 장을 처리하는 시간도 그만큼 늘어납니다. ELA 가 처리량의 제약이 되는 이유가 이 표에 있습니다.

여기서 앞 편의 이야기가 회수됩니다. 막에 수소가 남아 있으면 이 2차 성장이 방해받습니다 — 수소가 결정립 경계의 원자 이동을 막아 성장 속도를 떨어뜨린다는 것이 실험으로 보고되어 있습니다("Effect of Hydrogen on Secondary Grain Growth of Polycrystalline Silicon Films," Jpn. J. Appl. Phys. 45, 6908 (2006)). 4편의 탈수소가 폭발 방지만이 아니라 결정 품질 자체를 좌우하는 이유입니다. 표면에 자연 산화막이 얇게라도 끼면 같은 방식으로 성장이 막힌다는 보고도 있어("The grain growth blocking effect of polycrystalline silicon film by thin native oxide," Appl. Phys. Lett. 75, 460 (1999)), ELA 직전의 표면 상태 관리가 중요해집니다.

결정화 방식의 갈래 — ELA만 있는 것은 아니다

비정질을 다결정으로 바꾸는 방법이 ELA 하나뿐인 것은 아닙니다. 각 방식이 무엇을 주고 무엇을 포기하는지 보면 ELA가 왜 대량 생산의 표준이 되었는지가 분명해집니다.

방식	원리	온도·시간	결정립	한계
고상 결정화(SPC)	녹이지 않고 오래 가열해 고체 상태로 재배열	600℃급 · 수 시간~수십 시간	미세, 결함 많음	유리 변형점에 걸림. 처리 시간이 비현실적
금속 유도 결정화(MIC·MILC)	금속을 촉매로 써서 결정화 온도를 낮춤	500℃ 안팎 · 수 시간	가늘고 긴 결정	금속 오염 잔류. 소자 누설 전류 상승
ELA	나노초 펄스로 표층만 녹였다 굳힘	순간 1,400℃ 이상 · 수십 ns	0.3~1μm 급	에너지 창이 좁고 무라 관리가 어려움
순차 측면 고화(SLS)	좁은 슬릿으로 나눠 쏘아 성장 방향을 강제	ELA와 동일 대역	수 μm 이상, 방향 정렬	스캔 횟수가 많아 처리량이 낮음

표의 첫 두 줄이 왜 레이저로 갔는가를 설명합니다. 고상 결정화는 유리가 못 버티고, 금속 유도는 촉매가 남습니다. 마지막 줄은 왜 더 좋은 방식이 있는데도 ELA를 쓰는가를 설명합니다 — 결정립을 더 키우고 방향까지 맞추는 기법이 존재하지만, 그만큼 스캔이 늘어 대면적 양산의 처리량을 감당하지 못합니다. ELA는 최고의 결정 품질을 주는 방식이 아니라 양산이 감당할 수 있는 품질의 상한에 놓인 방식입니다.

결정립 경계 — 다결정의 숙명

다결정 실리콘은 결정립이 모자이크처럼 붙어 있는 구조라 그 사이에 결정립 경계가 생깁니다. 이 경계는 원자 배열이 어긋나는 지점이라 공공과 끊어진 결합이 몰려 있고, 여기 전하가 붙잡히면 전자가 넘어야 하는 전위 장벽이 생깁니다. 포장도로 중간중간의 과속방지턱인 셈입니다.

왜 결정립 크기가 그토록 중요한지는 간단한 산수로 드러납니다. 트랜지스터의 채널을 전자가 가로지를 때 만나는 경계의 개수는 채널 길이 ÷ 결정립 크기입니다.

결정립 크기	채널 3μm	채널 5μm	채널 10μm
0.05μm	60개	100개	200개
0.1μm	30개	50개	100개
0.3μm	10개	17개	33개
1μm	3개	5개	10개
3μm	1개	2개	3개

표를 위에서 아래로 읽으면 이동도가 왜 자릿수로 뛰는지 보입니다. 경계가 100개일 때와 3개일 때, 전자가 겪는 장벽의 총합은 비교가 되지 않습니다. 그런데 더 무서운 것은 오른쪽 아래 칸입니다. 경계가 3개뿐이라는 말은, 소자마다 그 3개가 어디에 놓이느냐에 따라 특성이 크게 달라진다는 뜻이기도 합니다. 경계가 100개면 평균으로 뭉개져 소자 간 차이가 작지만, 3개면 주사위를 세 번 던지는 것과 같아 산포가 커집니다. 결정립을 키울수록 평균 성능은 좋아지고 균일도는 나빠지는 역설이 여기서 나옵니다.

남는 경계는 어떻게 할까요. 나중에 수소화로 경계의 끊어진 결합을 수소로 메웁니다 — 공정 초반에 그토록 빼내려 애썼던 수소를 마지막에 다시 넣어 주는 아이러니가 여기서 완성됩니다. 다만 넣는 방식이 다릅니다. 처음에 뺀 것은 막 전체에 퍼져 있던 수소이고, 나중에 넣는 것은 경계라는 특정 자리를 겨냥한 수소입니다.

흔한 오해

• "레이저를 세게 쏠수록 결정립이 커진다" — 표의 ④구간이 반례입니다. 씨앗이 전멸하면 과냉된 액체가 여기저기서 동시에 굳어 오히려 미세해집니다. 최적점을 지나치면 성능이 떨어집니다.
• "유리가 안 녹으니 열 문제는 없다" — 유리는 녹지 않지만 표층은 데워지고, 그 데워짐이 매 펄스마다 수십 번 반복됩니다. 반복 열충격에 의한 기판 변형과 응력은 5편에서 본 그대로 남아 있습니다.
• "결정립이 크면 무조건 좋다" — 평균 이동도에는 좋지만 소자 간 산포에는 나쁩니다. OLED 백플레인이 결정립 크기보다 균일도를 먼저 보는 이유입니다.
• "ELA는 한 번 지나가는 공정" — 오버랩 95%면 같은 자리가 20번 녹았다 굳습니다. 한 지점이 겪는 것은 한 번의 결정화가 아니라 스무 번의 재결정화입니다.

무엇이 왜 중요한가

앞의 숫자들이 관리 항목으로 바뀌면 이렇게 됩니다.

• 펄스 에너지 안정도 — 요구되는 안정도가 2% 수준이므로, 샷마다의 에너지 편차가 곧 결정립 크기의 편차가 됩니다. 레이저 매질이 노화되면 출력이 서서히 내려가는데, 그 변화가 창 밖으로 나가는 순간 결정립이 통째로 바뀝니다. 에너지 미터의 값이 아니라 기울기를 보는 것이 요령입니다.
• 결정립 상태의 간접 측정 — 결정립을 매번 잘라 볼 수는 없으므로 파괴하지 않는 방법을 씁니다. 표면 반사율이나 산란광의 변화가 결정립 크기와 상관을 갖기 때문에, 광학적 측정으로 파괴 없이 판정할 수 있습니다.
• 무라 검사 — 최종 판정은 결국 눈에 보이는 얼룩입니다. 스캔 방향으로 줄무늬가 생기면 오버랩·피치를, 불규칙한 반점이 생기면 펄스 에너지를 의심하는 식으로 무늬의 모양이 원인을 가리킵니다.
• 광학계 오염 — 녹은 실리콘이 튀어 렌즈나 창에 쌓이면 투과율이 떨어져 실제 도달 에너지가 조용히 줄어듭니다. 설정값은 그대로인데 결과만 나빠지는 전형적인 함정이라, 광학 부품의 세정 주기가 곧 공정 안정성입니다.

정리 — 그리고 다음 편

• ELA는 표면만 나노초 동안 녹여 유리를 데우지 않고 결정화하는 기술이다. 유리의 열확산계수가 실리콘의 260분의 1이라는 점이 이를 가능하게 한다.
• 결정립 크기는 에너지 밀도의 함수이며, 최적점(초측면 성장)의 창은 2% 안팎의 안정도를 요구할 만큼 좁다.
• 여러 발 겹쳐 때려 결정립을 키우되(오버랩 95%면 20발), 남은 수소는 그 성장을 방해한다.
• 결정립을 키우면 평균 성능은 오르고 균일도는 나빠진다. 남는 경계는 나중에 수소화로 달랜다.

다음 편(7편)에서는 이 레이저를 실제로 만들어 내는 장비로 들어갑니다 — 왜 하필 308nm인지, 들쭉날쭉한 빔을 어떻게 균일한 라인 빔으로 다듬는지, 스캔 피치와 겹침이 왜 무라와 모아레를 만드는지, 그리고 챔버에 흘리는 가스에 왜 산소를 섞는지까지.

참고 자료

• "Excimer laser crystallization techniques for polysilicon TFTs," Applied Surface Science 154–155, 95 (2000) : 부분 용융·완전 용융·전이 영역 구분, 초측면 성장과 1μm 이상 결정립, 본문 에너지 창과 펄스 간 안정도 요구의 출처
• "Surface melt dynamics and super lateral growth regime in long pulse duration excimer laser crystallization of a-Si films," Thin Solid Films 337, 143 (1999) : 펄스 폭에 따른 표면 용융 거동과 초측면 성장 영역
• "Phase-field modelling of excimer laser lateral crystallization of silicon thin films," Thin Solid Films 427, 309 (2003) : 용융·응고 전선의 이동과 측면 성장의 수치 모형
• "Location Control of Super Lateral Growth Grains in Excimer Laser Crystallization," Jpn. J. Appl. Phys. 45, L970 (2006) : 초측면 성장 결정립의 위치를 제어하려는 접근
• "New theory of undercooling during rapid solidification: application to pulsed laser," Applied Physics A 88, 179 (2007) : 본문 '나노초의 시간표' 절의 과냉각·응고 속도 근거
• "Effect of Hydrogen on Secondary Grain Growth of Polycrystalline Silicon Films," Jpn. J. Appl. Phys. 45, 6908 (2006) : 잔류 수소가 2차 결정립 성장을 방해한다는 실험 근거 — 4편 탈수소와의 연결점
• "The grain growth blocking effect of polycrystalline silicon film by thin native oxide," Appl. Phys. Lett. 75, 460 (1999) : 표면 자연 산화막이 결정립 성장을 막는 현상
• T. Sameshima, S. Usui, M. Sekiya, "XeCl excimer laser annealing used in the fabrication of poly-Si TFT's," IEEE Electron Device Letters 7(5), 276 (1986) : 엑시머 레이저 결정화로 다결정 실리콘 TFT를 만든 최초 보고
• "Excimer-laser annealing for low-temperature poly-Si TFTs," J. Inf. Disp. 4(1) (2003) : ELA 공정 개요와 a-Si 대비 TFT 특성 — 본문 이동도 비교표의 근거
• Excimer laser — Wikipedia : 엑시머 레이저의 원리와 파장
• Grain boundary — Wikipedia : 결정립 경계의 구조와 전기적 영향
• Thermal diffusivity — Wikipedia : 본문 열확산 길이 √(D·t) 계산의 근거
• ※ 위 목록 가운데 Wikipedia 문서에서 인용한 부분은 CC BY-SA 4.0 라이선스를 따릅니다.