디스플레이 백플레인 공정 #07 — ELA ② 308nm 자외선과 라인 빔, 그리고 무라

앞 편에서 우리는 ELA가 무엇을 하는지 봤습니다 — 표면만 나노초 동안 녹여 결정을 키우는 일이었죠. 이번 편은 그 일을 실제로 해내는 장비 이야기입니다. 레이저 광원부터 기판까지 빛이 지나가는 길을 따라가며 "왜 이 파장인가", "왜 광학계가 이렇게 복잡한가", 그리고 줄무늬 얼룩(무라)이 왜 생기는지를 다룹니다.

엑시머 레이저란 무엇인가

ELA의 'E'는 엑시머(Excimer)입니다. '들뜬 이합체(Excited dimer)'의 줄임말로, 들뜬 상태에서만 잠깐 존재할 수 있는 분자를 뜻합니다. 평소에는 결합하지 않는 비활성 기체(제논·크립톤 등)와 할로겐(염소·불소 등)이 강한 전기 에너지를 받으면 아주 짧은 순간 손을 잡고, 곧바로 헤어지면서 그 에너지를 자외선 광자로 뱉어냅니다.

이 "존재하자마자 붕괴하는" 성질이 레이저에는 오히려 유리합니다. 바닥 상태의 분자가 거의 없으니 밀도 반전이 자연히 성립해 증폭이 쉽게 일어납니다. 조합에 따라 파장이 정해지며, 디스플레이 결정화가 쓰는 자리는 그중 하나뿐입니다.

기체 조합	파장	광자 에너지	주 용도
ArF	193nm	6.4eV	반도체 노광, 미세 가공
KrF	248nm	5.0eV	노광, 기판 분리(LLO)
XeCl	308nm	4.0eV	디스플레이 결정화(ELA)
XeF	351nm	3.5eV	재료 가공, 연구용

왜 하필 308nm인가

• 실리콘이 이 파장을 거의 다 삼킨다 — 비정질 실리콘의 308nm 흡수율은 98% 이상으로, 흡수 깊이가 수십 나노미터에 불과합니다. 에너지가 표면 얇은 층에 집중되어 표면만 녹이고 유리는 데우지 않는 일이 가능해집니다.
• 파장이 길어져 가시광·적외선으로 가면 실리콘이 빛을 통과시켜 버려 표면 가열이 되지 않습니다.
• 고출력을 안정적으로 낼 수 있다 — 엑시머 레이저는 반응 중간 생성물이 자기가 낸 빛을 다시 흡수해 출력을 갉아먹는 문제가 있는데, XeCl 조합은 이 손실이 상대적으로 작습니다.
• 같은 엑시머라도 193nm·248nm는 반도체 노광이나 기판 분리에 쓰이고, 디스플레이 결정화는 308nm의 자리입니다.

여기에 실무적인 이유가 하나 더 있습니다. 파장이 짧을수록 광학 부품의 수명이 짧아집니다. 193nm대에서는 렌즈 재료가 자외선에 손상되어 정기 교체가 잦아지는데, 308nm는 상대적으로 관대해 대면적 장비를 오래 돌리기에 유리합니다. 노광기처럼 정밀도가 최우선인 장비와, 대면적을 쉼 없이 훑어야 하는 결정화 장비의 요구가 다르다는 점이 파장 선택에 그대로 반영된 셈입니다.

빔이 기판에 닿기까지 — 광학계의 여정

레이저에서 나온 빛을 그대로 기판에 쏘면 안 됩니다. 출력 단면의 세기가 고르지 않기 때문입니다. 앞 편에서 봤듯 요구되는 에너지 안정도가 2% 수준이니, 세기가 들쭉날쭉한 빔은 그대로 얼룩이 됩니다. 그래서 장비 대부분이 광학계입니다.

• 호모지나이저 — 빔을 여러 갈래로 쪼갠 뒤 다시 겹쳐 단면 세기를 평탄하게 만듭니다. 울퉁불퉁한 산등성이를 눌러 고원으로 만드는 작업입니다. 마이크로렌즈 배열을 자유곡면으로 설계해 평탄도를 끌어올리는 연구가 지금도 이어집니다("Freeform microlens array homogenizer for excimer laser beam shaping," Optics Express 24, 24846 (2016)).
• 빔 성형 광학계 — 평탄해진 빔을 길고 아주 얇은 라인 형태로 다듬습니다. 폭이 좁을수록 에너지 밀도를 올리기 쉽고, 길이가 길수록 한 번에 훑는 면적이 넓어집니다.
• 미세 평활 미러(micro-smoothing) — 엑시머 레이저는 간섭성이 낮은 편이지만 그래도 광학계 안에서 간섭 무늬가 생깁니다. 이를 압전 구동기로 미러를 미세하게 떨어 간섭 무늬를 시간적으로 뭉개는 방식으로 다룹니다.
• 스캔 스테이지 — 기판을 정밀하게 조금씩 이동시켜 라인 빔이 전면을 겹쳐 가며 훑도록 합니다.

왜 굳이 길고 얇은 라인이어야 하는지는 간단한 나눗셈으로 드러납니다. 펄스 한 발의 에너지를 빔 면적으로 나눈 값이 곧 에너지 밀도이고, 6편에서 본 최적 구간은 대략 300~450mJ/cm² 대역입니다.

라인 빔 치수(예시)	빔 면적	펄스 0.5J	펄스 1.0J	펄스 1.5J
465 × 0.4mm	1.9cm²	269mJ/cm²	538mJ/cm²	806mJ/cm²
750 × 0.4mm	3.0cm²	167mJ/cm²	333mJ/cm²	500mJ/cm²
1,500 × 0.4mm	6.0cm²	83mJ/cm²	167mJ/cm²	250mJ/cm²

표를 가로로 읽으면 빔을 길게 만들수록 더 센 광원이 필요하다는 사실이 분명해집니다. 라인 길이를 465mm에서 1,500mm로 세 배 늘리면, 같은 에너지 밀도를 얻기 위해 펄스 에너지도 세 배가 되어야 합니다. 세로로 읽으면 왜 폭을 0.4mm 수준까지 좁히는지 보입니다 — 폭을 두 배로 넓히면 필요한 펄스 에너지도 두 배가 되기 때문입니다. 대면적 장비의 크기를 정하는 것은 스테이지가 아니라 광원의 펄스 에너지입니다.

즉 ELA 장비의 본질은 "강한 레이저"가 아니라 "고르게 만드는 광학계 + 정밀하게 옮기는 스테이지"입니다. 실제로 ELA 공정 제어를 위한 모니터링 방법 자체가 특허의 주제가 될 만큼(US 10,121,687), 빔 상태의 실시간 감시는 이 장비의 핵심 기능입니다.

처리량의 산수 — 왜 ELA가 병목인가

6편에서 오버랩률이 품질과 처리량을 맞바꾼다고 했습니다. 그 교환을 장비 관점의 숫자로 옮기면 이렇게 됩니다. 스캔 속도는 스캔 피치 × 반복률이므로, 오버랩률과 레이저의 초당 발사 횟수만 알면 곧바로 나옵니다. 아래 반복률은 계산을 보이기 위해 임의로 고른 값입니다.

오버랩률	스캔 피치	300Hz	600Hz	1,200Hz	1,500mm 훑는 시간(600Hz)
90%	40μm	12.0mm/s	24.0mm/s	48.0mm/s	약 63초
95%	20μm	6.0mm/s	12.0mm/s	24.0mm/s	약 125초
98%	8μm	2.4mm/s	4.8mm/s	9.6mm/s	약 312초

세 가지가 읽힙니다. 첫째, 스캔 속도가 초속 수 밀리미터 수준입니다. 눈으로 보면 거의 멈춰 있는 것처럼 느리게 기어갑니다. 둘째, 오버랩을 95%에서 98%로 올리면 같은 기판을 훑는 데 2.5배가 더 걸립니다. 셋째, 이를 만회하는 유일한 손잡이가 반복률입니다. 방전 여기 XeCl 레이저를 kHz급으로 연속 운전하는 기술이 오래전부터 연구된 이유가 여기 있습니다 — 반복률을 두 배로 올리면 처리 시간이 절반이 됩니다.

그래서 다른 방향의 대응도 나옵니다. ELA 장비를 여러 대 나란히 두어 기판을 번갈아 흘리거나, 한 기판을 구역으로 나눠 병렬 처리하는 식입니다. 다만 장비를 늘리면 장비 간 편차라는 새로운 문제가 생깁니다. 같은 설정값이어도 광원의 가스 상태와 광학계 컨디션이 다르면 결정립이 미묘하게 달라지고, 그 차이가 한 기판 안에서 구역 경계의 얼룩으로 드러납니다. 장비를 늘려 처리량을 사면 균일도를 지불하게 되는 셈이라, 대수 증설은 단순한 투자 결정이 아니라 품질 설계의 문제가 됩니다.

다만 반복률을 올리는 데에도 대가가 있습니다. 같은 자리에 더 자주 때리면 가스와 전극의 소모가 빨라지고, 펄스마다의 에너지 편차를 잡기도 어려워집니다. 6편에서 본 좁은 에너지 창은 반복률이 올라갈수록 지키기 힘든 조건이 됩니다. 빠르게 돌릴수록 균일도가 흔들린다는 것이 이 장비의 근본적인 긴장입니다.

레이저 가스는 소모품이다

엑시머 레이저에서 자주 간과되는 사실이 있습니다. 빛을 내는 물질 자체가 닳아 없어진다는 점입니다. 고체 레이저의 결정이나 반도체 레이저의 칩과 달리, 엑시머 레이저의 발광체는 챔버 안을 채운 기체 혼합물입니다.

XeCl 조합에서 소모되는 것은 주로 할로겐입니다. 방전이 반복되면 염소가 전극 금속이나 챔버 내벽과 반응해 조금씩 사라지고, 그 자리에 반응 부산물과 불순물이 쌓입니다. 결과는 두 가지로 나타납니다 — 출력이 서서히 내려가고, 동시에 펄스마다의 에너지 편차가 커집니다. 6편에서 본 좁은 에너지 창을 생각하면 두 번째가 더 위험합니다. 평균 출력이 조금 낮아진 것은 전압을 올려 보상할 수 있지만, 흔들림이 커진 것은 보상할 방법이 없습니다.

그래서 운용은 두 단계로 나뉩니다. 할로겐만 소량 보충해 출력을 되살리는 부분 보충을 주기적으로 하고, 불순물이 누적되면 챔버 전체의 가스를 완전 교체합니다. 전극은 그보다 훨씬 긴 주기로 교체하지만, 마모가 진행되면 방전이 한쪽으로 치우쳐 빔 단면의 세기 분포가 기울어집니다 — 그 결과가 앞서 본 스캔 방향과 나란한 줄무늬입니다. 무라의 원인을 찾아 올라가다 보면 광학계를 지나 결국 광원의 소모 상태에 닿는 경우가 드물지 않습니다.

스테이지 정밀도가 곧 피치 정밀도

광학계가 아무리 좋아도 기판을 옮기는 스테이지가 흔들리면 소용없습니다. 얼마나 정밀해야 하는지는 앞의 두 숫자를 곱하면 바로 나옵니다.

오버랩 95%에서 스캔 피치는 20μm이고, 한 지점이 받는 샷은 20발입니다. 그런데 피치가 1μm만 틀어져도 그 지점이 받는 샷 수는 20발에서 19발이나 21발로 바뀝니다. 비율로는 5%입니다. 6편에서 본 요구 안정도가 2% 수준이었으니, 1μm의 이송 오차만으로도 이미 그 범위를 넘어섭니다.

거꾸로 계산하면 요구 사양이 나옵니다. 누적 에너지 편차를 1% 안에 두려면 피치 오차가 0.2μm 이내여야 합니다. 1,500mm를 훑는 동안 그 정밀도를 유지해야 하니, 전체 행정 1,500mm 대비로는 750만 분의 일 수준의 이송 정밀도입니다. ELA 장비가 정밀 스테이지 기술의 집합체라고 불리는 이유이고, 진동·온도 드리프트·기판 휨이 모두 관리 대상이 되는 이유이기도 합니다.

ELA 무라와 모아레 — 주기가 만드는 얼룩

ELA 공정의 대표적 불량이 줄무늬 얼룩(ELA 무라)입니다. 스캔 방향에 수직으로 규칙적인 밝기 차이가 나타나는 현상으로, 근본 원인은 결국 하나입니다 — 결정 구조·결정립 크기·경계가 자리마다 다르면 TFT 성능이 달라지고, 그 차이가 화면에서 밝기 차이로 보인다는 것입니다. 학술 문헌도 "밝기 불균일의 주기가 스캔 피치와 정확히 일치한다"고 보고합니다("Uniformity improvement of SLS poly-Si TFT AMOLED," J. Inf. Disp. 6(3) (2005)).

이 한 문장이 무라의 구조를 알려 줍니다. 얼룩에는 주기가 있고, 그 주기는 무언가가 반복되고 있다는 뜻입니다.

반복되는 것은 둘뿐입니다. 하나는 시간—펄스가 한 발씩 나가는 리듬입니다. 펄스마다 에너지가 다르거나 스테이지가 나아가는 간격이 흔들리면, 그 리듬이 스캔 방향을 따라 새겨져 스캔 방향에 수직인 줄이 됩니다. 주기가 스캔 피치와 일치하는 이유가 이것입니다. 다른 하나는 공간—라인 빔의 길이 방향 세기 분포입니다. 빔의 어느 자리가 계속 세거나 약하면 그 자리가 지나간 궤적이 스캔 방향과 나란한 줄로 남습니다. 시간이 만든 얼룩과 공간이 만든 얼룩은 방향이 직각으로 갈립니다.

주기가 없는 얼룩도 있습니다. 파티클이나 국부 결함이 만든 불규칙한 반점은 반복되는 원인이 없으므로 주기도 없습니다.

여기에 한 가지가 더 겹칩니다 — 모아레(Moiré)입니다. ELA가 남긴 주기와 화소·마스크 같은 다른 규칙적 패턴의 주기가 가까우면, 둘의 차이가 확대되어 넓은 물결 무늬로 보입니다. 두 주기가 완전히 다르면 문제가 없고 완전히 같아도 문제가 없는데, 살짝 어긋날 때가 최악이라는 것이 모아레의 성질입니다. 그래서 두 주기가 가까워지지 않도록 스캔 방향을 의도적으로 기울여 주기를 어긋내는 방법이 쓰입니다.

가스를 흘린다 — 산소라는 조미료

ELA 챔버에는 가스가 흐릅니다. 대개 질소 같은 불활성 가스인데, 여기에 소량의 산소를 의도적으로 섞습니다. 이유는 언뜻 역설적입니다 — 결정립이 지나치게 커지는 것을 억제하기 위해서입니다.

앞 편에서 큰 결정립이 좋다고 했는데 왜 억제할까요. 답은 균일성입니다. 6편의 표에서 봤듯 결정립이 커질수록 채널 안의 경계 수가 줄어 소자마다의 편차가 커집니다. 산소를 미량 넣으면 성장이 적당히 억제되면서 분포가 고르게 정리됩니다. 실제로 결정화 중 산소 혼입을 제어하는 방법은 특허의 주제이기도 합니다(US 6,071,796).

대가도 분명합니다. 산소 농도가 올라가면 전자 이동도는 떨어집니다. 또 가스 유량·산소 농도·배기 방향이 어긋나면 흐르는 물 모양의 얼룩이 스캔 방향과 수직으로 생깁니다. "가장 크게"가 아니라 "가장 고르게"를 택하되, 그 대가를 수치로 관리하는 것 — 이것이 ELA 레시피의 실체입니다.

보이지 않는 폭탄 — 하부 파티클

또 하나의 실패 모드는 실리콘 층 아래에 숨어 있던 파티클입니다. PI 표면이나 버퍼층 안에 금속·이물 입자가 박혀 있으면, 평소에는 아무 문제가 없다가 ELA 순간에 사고를 냅니다.

메커니즘은 이렇습니다. 결정화가 진행되면 실리콘의 광학적 성질이 바뀌어 레이저가 더 깊이 투과하게 되고, 그 에너지가 아래에 있던 파티클에 도달합니다. 국부적으로 과열된 지점은 부풀거나(billowing) 터지며 표면을 변형시키고, 그 자리는 이후 도핑 공정에서 국부적으로 과도핑되어 주변보다 낮은 전압에서 켜집니다. 결과는 화면의 밝은 점. 앞 공정(2·3편)에서 세정과 검사에 그토록 공을 들이는 이유가 몇 편 뒤에서 이렇게 드러납니다.

대응은 빔 초점과 세기의 정밀 조절입니다. 공개된 레이저 결정화 장비 특허(US 7,847,214 B2)는 이 장비의 초점 심도를 대략 ±5~10μm로 적고, 같은 문헌이 유리 기판의 평탄도에서 오는 Z 방향 높이 변화는 보통 10μm를 넘는다고 지적합니다. 초점 여유보다 기판의 출렁임이 더 크다는 뜻입니다 — 그래서 높이를 실시간으로 재어 보정하지 않으면 에너지 밀도가 곧바로 창 밖으로 나갑니다. 5편에서 본 열응력에 의한 기판 휨이 여기서 다시 문제가 되는 것입니다 — 앞 공정의 관리 실패가 몇 단계 뒤 장비의 초점 여유를 잡아먹습니다.

빔을 어떻게 들여다보는가

"에너지 밀도를 감시한다"고 했지만, 폭 0.4mm짜리 자외선 라인을 어떻게 잰다는 걸까요. 여기에도 층이 있습니다.

• 총 에너지 — 빔 경로에서 일부를 갈라내어 에너지 미터로 받습니다. 펄스마다 값이 나오므로 흔들림을 실시간으로 볼 수 있지만, 그 에너지가 라인 위에 어떻게 분포하는지는 알려주지 않습니다.
• 단면 분포 — 빔 프로파일러로 세기의 가로 분포를 찍습니다. 호모지나이저가 제 몫을 하는지, 한쪽으로 기울지 않았는지가 여기서 드러납니다. 다만 장비를 세워야 볼 수 있으므로, 돌아가는 중에는 확인할 수 없다는 한계가 있습니다.
• 결과로 되짚기 — 가장 확실한 것은 실제로 시편을 한 번 훑고 그 표면을 보는 것입니다. 결정화된 자리는 광학적 성질이 달라져 반사율이 변하므로, 얼룩의 모양과 주기가 곧 빔의 상태를 말해 줍니다.

세 층의 관계가 중요합니다. 총 에너지는 빠르지만 거칠고, 단면 분포는 정밀하지만 느리며, 결과 관찰은 진실하지만 이미 늦습니다. 그래서 셋을 겹쳐 쓰게 됩니다 — 상시로는 총 에너지의 추세를 보고, 주기적으로 단면을 확인하고, 무라가 뜨면 시편으로 원인을 좁힙니다. 앞의 무라 진단표가 실제로 작동하는 것은 이 세 번째 층이 있기 때문입니다.

무엇이 왜 중요한가 — 관리 포인트 3

• 에너지 밀도 모니터링 — ELA의 생명. 실시간 출력 감시와 주기적 실측 보정으로 좁은 최적 창을 벗어나지 않게 유지합니다. 광원의 가스 수명과 전극 마모가 진행되면 출력이 서서히 내려가므로, 절댓값보다 추세를 봅니다.
• 결정립 크기·균일도 — 정기적으로 시료를 떼어 단면을 관찰하고, 기판 안에서 여러 패널·여러 지점을 표본 조사합니다. 목표는 "큰 결정립"이 아니라 "정해진 범위 안의 고른 결정립"입니다.
• 광원·광학계 컨디션 — 레이저 가스 수명, 미러·렌즈의 오염과 열화, 스테이지 이송 정밀도. 이 셋이 조용히 나빠지다 어느 날 무라로 표면화되므로, 예방 정비 주기 관리가 곧 품질 관리입니다.

이제 기판 위에는 커다란 결정립을 가진 다결정 실리콘 막이 준비되었습니다. 하지만 아직 트랜지스터는 아닙니다 — 어디가 통로이고 어디가 스위치인지 극성을 새겨 넣어야 합니다. 다음 편(8편)은 도핑입니다.

참고 자료

• US 7,847,214 B2 — Laser crystallization apparatus and crystallization method (Shimadzu) : 결정화 장비의 초점 심도(약 ±5~10μm)와 유리 평탄도에 따른 Z 방향 높이 변화(10μm 초과)를 함께 적은 문헌
• US 10,121,687 — Monitoring method and apparatus for control of excimer laser annealing : ELA 제어를 위한 빔 실시간 모니터링
• US 6,071,796 — Method of controlling oxygen incorporation during crystallization of silicon film by excimer laser : 결정화 중 산소 혼입 제어
• US 6,881,615 B2 — Method for crystallizing semiconductor material without exposing it to air : 보호막과 고진공으로 결정화 중 대기 노출을 막는 설계
• "Freeform microlens array homogenizer for excimer laser beam shaping," Optics Express 24, 24846 (2016) : 빔 단면을 평탄화하는 호모지나이저 광학 설계
• "Continuous operation up to 3 kHz in a discharge-pumped XeCl excimer laser," Applied Physics B 63, 1 (1996) : XeCl 광원의 고반복률 연속 운전 — 본문 처리량 표의 반복률 근거
• "Uniformity improvement of SLS poly-Si TFT AMOLED," J. Inf. Disp. 6(3) (2005) : 밝기 불균일의 주기가 스캔 피치와 일치한다는 보고
• "Low-Temperature Poly-Si TFT by Excimer Laser Annealing," MRS Proceedings 685 (2001) : ELA 조건과 TFT 특성의 관계
• "A new high-performance poly-Si TFT by simple excimer laser annealing," IEDM (2001), 34.3.1 : 결정화 조건 개선으로 소자 특성을 끌어올린 사례
• "Excimer laser crystallization techniques for polysilicon TFTs," Applied Surface Science 154–155, 95 (2000) : ELA 공정 창과 균일성 문제
• Excimer laser — Wikipedia : 엑시머 레이저의 기체 조합별 파장 — 본문 파장 표의 근거
• Excimer — Wikipedia : 들뜬 이합체라는 개념
• Moiré pattern — Wikipedia : 두 주기 패턴의 간섭으로 생기는 무늬
• ※ 위 목록 가운데 Wikipedia 문서에서 인용한 부분은 CC BY-SA 4.0 라이선스를 따릅니다.