Guide : 레이저 어닐링

레이저 어닐링은 초정밀, 초고속, 국소 가열이라는 장점을 활용해 반도체, 디스플레이, 금속 박막 등의 고부가가치 산업에서 핵심 열처리 공정으로 자리잡고 있습니다. 공정 조건의 정밀한 제어와 시스템 구성 최적화가 품질 확보의 핵심입니다.

Act

Apr 05, 2025

Contents

레이저 어닐링의 필요성 공정 절차 주요 품질 요인 레이저 어닐링 시스템 구성 주요 어플리케이션

레이저 어닐링(Laser Annealing)은 반도체, 디스플레이, 박막 트랜지스터(TFT), 금속 및 기타 재료 가공 분야에서 사용되는 국소 열처리 공정입니다. 특히, 빠르고 정밀한 온도 제어가 필요한 나노 및 마이크로 스케일 가공에서 유용하게 활용됩니다. 아래에서 레이저 어닐링 공정의 필요성, 공정 절차, 주요 품질 요인, 시스템 구성을 차례대로 설명드리겠습니다.

레이저 어닐링의 필요성

레이저 어닐링은 기존의 열처리 방식(예: 오븐 기반 또는 RTP, Rapid Thermal Processing)에 비해 다음과 같은 이유로 채택됩니다.

1) 고해상도, 국소 가열

마이크로/나노미터 수준으로 열처리 영역을 한정할 수 있어 주변 영역 손상이 없음

디스플레이의 픽셀 단위, 반도체의 채널 부위 등 정밀 제어가 필요할 때 유리

2) 초고속 열처리

나노초(ns), 피코초(ps) 단위의 시간으로 빠르게 가열 및 냉각 가능

고온 공정이 필요한 결정화(crystallization)나 스트레스 해소에 매우 효과적

3) 저온 기판 대응

유리, 플라스틱 등 열에 약한 기판 위에서도 사용 가능

전체 기판이 아닌 국소 가열로 기판 손상 없이 고온 공정 가능

공정 절차

공정은 다음과 같은 흐름으로 진행됩니다. 일반적인 레이저 어닐링 공정 단계입니다. 각 단계별 제어 요소와 최적화 포인트를 함께 정리합니다.

단계	내용	제어 요소	최적화 팁
1. 시편 로딩 및 얼라인먼트	기판 적재, 위치 정렬	정렬 카메라, 위치 센서	정렬 마크 사용 시 ±1 μm 이하 정렬 권장
2. 레이저 파라미터 설정	에너지 밀도, 반복률, 스캔 속도 설정	소프트웨어 제어	초기에는 DoE 기반 설계 권장
3. 예열(Optional)	필요 시 기판 전체 예열	히터, 온도센서	유리/플라스틱 기판 시 열 충격 방지
4. 레이저 조사	정해진 궤적에 따라 조사	Galvo or Stage	스캔 균일성, 중첩률 조정 필수
5. 냉각 및 품질 검사	레이저 조사 후 온도 안정화	온도 센서, 비전 검사	Crystallinity, Roughness 등 검사 수행
6. 언로딩 및 데이터 로깅	로그 저장, 시편 회수	MES 연동 가능	품질 추적성 확보 중요

표면 전처리

세정, 박막 증착, 패터닝 등

어닐링 대상 영역의 오염 및 불순물 제거

레이저 파라미터 설정

파장 선택: 재료에 따라 UV(355nm), 그린(532nm), 적외(1064nm) 사용

펄스폭 설정: ns, ps, fs 중 선택 (ns가 가장 일반적)

에너지 밀도 조절: 재료의 용융점, 열 확산 계수 고려

레이저 조사 (Annealing)

Galvo 스캐너 또는 Stage 스캔 방식으로 레이저를 원하는 위치에 조사

일정한 에너지 밀도로 재료를 순간 가열 (수백 ~ 수천 ℃)

결정화, 결함 치유, 응력 제거 등 유도

냉각 및 후처리

조사 직후 급냉(cooling), 잔열 제거

후속 박막 공정 또는 패시베이션 진행

주요 품질 요인

레이저 어닐링 공정의 품질은 다음 요소에 의해 좌우됩니다:

항목	설명
에너지 밀도 (Fluence)	너무 낮으면 어닐링 효과 부족, 너무 높으면 기판 손상
펄스 지속 시간	ns 단위가 일반적이나 재료 특성에 따라 ps/fs도 사용
레이저 빔 균일도	Gaussian 대신 Top-hat beam을 선호 (균일한 조사)
스캔 속도 및 중첩률	지나치게 빠르거나 느리면 열 누적 혹은 불균일 발생
기판의 흡수율	파장 선택 시 고려 (예: poly-Si는 532nm에 흡수율 높음)

레이저 어닐링에서의 핵심 변수와 최적화 방법은 아래와 같습니다.

에너지 밀도 (Fluence, J/cm²)

최적 범위: 재료의 용융점 및 흡수율에 기반하여 설정

예) a-Si → Poly-Si: 200~500 mJ/cm² (Excimer 레이저 기준)

Tip: 너무 낮으면 결정화 불량, 너무 높으면 Ablation 발생

스캔 속도 (mm/s)

권장 범위: 수십 mm/s ~ 수백 mm/s (Galvo 기준)

Tip: 스캔 속도가 느릴수록 열 누적 발생 가능 → 열확산 시뮬레이션 기반 설정

중첩률 (Overlap Ratio)

정의: 조사 영역 간의 겹침 비율

권장 범위: 80~95%

Tip: 지나친 중첩은 열 누적, 적은 중첩은 균일성 저하

펄스폭 및 반복률

ns 레이저: 일반적 어닐링 용도 (10~100 ns)

ps/fs 레이저: 고정밀, 미세 구조 또는 고속 냉각이 필요한 경우

스폿 크기

설정 기준: 열 확산 거리보다 넓게 설정하여 균일한 어닐링 유도

Tip: Top-hat beam일수록 큰 스폿 크기에서도 균일 가공 가능

레이저 어닐링 시스템 구성

레이저 어닐링 장비는 다음과 같은 구성요소로 이루어집니다. 각 모듈의 사양은 대상 재료와 공정 목적에 따라 선택됩니다.

구성 요소	주요 사양	설명
레이저 소스	파장, 펄스폭, 평균 출력, 반복률, 빔 품질(M²)	Nd:YAG(1064nm, 532nm), Excimer(248nm), Fiber(1064nm), CO₂ 등 사용
빔 쉐이핑/균일화 광학계	Top-hat 변환기, Homogenizer, Cylindrical 렌즈 등	가우시안 빔을 균일한 에너지 밀도로 변환
빔 딜리버리 및 스캔 시스템	Galvano Scanner, F-theta 렌즈, XY 스테이지	고속 정밀 스캔, 큰 면적 연속 가공 가능
에너지/파워 센서	평균 파워, 에너지 밀도 측정 정확도 ±2~5%	파라미터 튜닝 및 공정 모니터링 필수
온도 모니터링 센서	IR 카메라, Pyrometer, Thermopile	비접촉 실시간 온도 측정, PID 제어 가능
비전 시스템	Coaxial Camera, Fiducial Alignment	마스크 또는 패턴 정렬, 오버레이 정밀도 확보
제어 소프트웨어	HMI, 공정 레시피 저장, 파라미터 자동 조절	UI 기반 제어, PID/AI 기반 파라미터 피드백

1) 레이저 소스

Q-switched Nd:YAG 레이저: 대표적인 ns 레이저

Excimer 레이저 (KrF, XeCl): 디스플레이에서 poly-Si 결정화에 사용

Fiber 레이저: 균일성과 안정성 우수

2) 빔 형상/균일화 광학계

Top-hat beam shaping optics

Homogenizer: 에너지 분포를 균일하게 조절

3) 스캔 시스템

Galvano Scanner: 빠른 방향 전환, 정밀 스캔 가능

XY Stage: 넓은 영역 연속 처리용

4) 제어 시스템 및 센서

Power/Energy Meter: 조사 전/중/후 파워 모니터링

IR Thermography 또는 Pyrometer: 온도 측정

Vision Alignment: 마킹 또는 패턴 정렬용

주요 어플리케이션

어플리케이션	설명
LTPS TFT 공정	디스플레이의 비정질 실리콘을 Poly-Si로 결정화
반도체 채널 어닐링	이온 주입 손상 회복 및 활성화
금속 스트레스 완화	금속 박막의 응력 해소 및 표면 평탄화
그래핀/2D 소재 제어	열에 민감한 2D 소재의 결정 품질 향상

Poly-Si 결정화 공정별 파라미터 시트 (Excimer vs Nd:YAG)

레이저 어닐링을 통해 비정질 실리콘(a-Si)을 다결정 실리콘(poly-Si)으로 결정화하는 공정은 디스플레이 및 반도체 공정에서 핵심입니다. 이때 사용하는 레이저 종류에 따라 최적 조건이 다릅니다.

항목	Excimer Laser (KrF, 248nm)	Nd:YAG Laser (1064nm)
파장	248nm (자외선)	1064nm (근적외선)
흡수율(a-Si)	매우 높음 (>90%)	낮음 (~30%)
에너지 밀도	250~500 mJ/cm²	1~2 J/cm²
펄스폭	20~50 ns	10~100 ns
결정화 방식	Non-Melt / MELT-LA	Melt-mediated
특징	얕은 침투 깊이, 높은 해상도	깊은 열 침투, 두꺼운 박막 적합

활용 Tip:

Excimer는 얇은 TFT/디스플레이 구조에 유리

Nd:YAG는 반도체 전공정, 후공정 적층 구조에 적합

LTPS vs Oxide TFT용 레이저 어닐링 비교

LTPS (Low Temperature Poly-Silicon)와 Oxide TFT는 각각 다른 방식의 박막 트랜지스터 구조입니다. 어닐링 조건도 달라집니다.

항목	LTPS용 어닐링	Oxide TFT용 어닐링
목적	결정화 (a-Si → poly-Si)	산화막 구조 안정화, trap 제거
레이저	Excimer, Nd:YAG	Excimer, UV Diode
온도 범위	600~1000℃ (순간)	300~450℃
주요 평가 항목	Grain Size, Carrier Mobility	Threshold Voltage 안정성, Leakage Current
공정 특징	고정밀 위치 정렬 필요	비교적 유연한 조건 가능

장비 사양 예시 (OEM 리스트 기반)

실제 산업용 레이저 어닐링 시스템에 사용되는 OEM 장비들의 대표적인 사양입니다:

제조사	모델	출력	파장	주요 용도
Coherent	LineBeam 1500	1500 W	308 nm (XeCl)	Display, OLED, TFT 결정화
Trumpf	TruMicro 7060	60 W (펄스)	1030 nm	Glass, PCB, Metal 어닐링
JPT	YLPP-1-150	150 W	1064 nm	금속 박막 열처리
Ushio	ULS Series	100~500 W	UV (355 nm)	Oxide TFT용 표면처리