레이저가 표면 위에 반복적으로 조사될 때, 입사된 레이저와 표면에서 반사(회절)된 레이저의 간섭에 의해 주기적인 표면 패턴이 형성되는 것으로 알려진 laser-induced periodic surface structure (LIPSS)는 실리콘과 같은 반도체를 포함한 거의 모든 종류의 물질 표면에서 형성된다. Organic light-emitting diode (OLED) 디스플레이의 back-plane 의 메인 공정으로 비정질 실리콘 a-Si 을 레이저로 다결정 실리콘 p-Si 으로 결정화 하는 저온 다결정 실리콘 (low-temperature poly-crystallin Si, LTPS) 기술은 현재 파장 308 nm 의 XeCl 엑시머 레이저 어닐링 (excimer laser annealing, ELA)으로 주기적인 표면 구조를 생성한다. OLED 디스플레이는 균일하게 형성된 대면적 p-Si 표면 구조를 요구하지만, 독립된 빔들의 결합으로 균일한 표면 공정을 하는 것은 도전 과제이다. 기존의 ELA 에서는 flat-top 형태의 라인 빔으로 단축방향으로 1 차원 스캔하면서 균일한 표면을 형성하기 때문에 빔 변환을 위한 광학계 크기에 따른 대면적 크기의 한계가 있다. 반면 가우시안 스팟 빔은 균일하지 않은 에너지 분포를 가지므로, 레이저의 조사 면적이 빔 크기보다 훨씬 큰 2 차원 대면적 공정은 매우 까다롭다. 이 논문은 가우시안 스팟 빔을 알맞은 레이저 스캐닝 조건에서 매우 균일한 2 차원 표면 구조를 형성하는 새로운 방법을 제안한다.
Nd:YAG, Nd:YVO₄ 의 고체 5.5 ~ 16 ns 의 펄스 폭의 나노초 레이저는 파장 355 nm, 반복률 범위 14 ~ 33 kHz 로 45 ~ 55 nm 두께의 비정질 실리콘 박막 표면 위에 조사된다. 공정에 사용된 가우시안 스팟 빔은 2 가지 종류로 하나는 단축 약 300 μm 의 1:6 비율의 타원형 빔, 다른 하나는 약 200 μm의 원형의 빔이다. 샘플의 표면에 조사되는 펄스와 펄스 사이에 공간적 간격을 주어 스팟 빔을 겹치는 대면적 스캔을 하였고, 이때의 스캐닝 방법은 레이저 빔이 움직이는 스캐너방식과, 샘플이 움직이는 motorized 스테이지 방식으로 진행된다.
나노초 레이저 스캐닝 과정에서 표면에 최초로 도달하는 싱글 펄스에 의한 표면 구조를 분석하였고, 그 결과 가우시안 함수에 따라 위치별로 다른 레이저 플루언스의 영향을 받아 문턱 에너지 (the threshold energy) 부터 어블레이션 에너지 (the ablation energy) 사이에서 점점 나노 크기의 원형의 다결정 실리콘 표면 구조를 형성하여 표면의 광학적 특성을 바꿔 자외선에서의 흡수율을 향상시킨다.
싱글 펄스의 문턱 에너지보다 살짝 높은 낮은 범위의 레이저 플루언스 영역에서의 2 차원 레이너 스캐닝 결과, 비정질 실리콘 박막 위에 다결정 실리콘의 나노 구조가 레이저 편광방향에 수직하게 배열되어 2 차원 LIPSS 가 형성되었지만, 싱글 펄스에서 높은 거칠기의 표면 구조를 형성하는 상대적으로 높은 범위의 레이너 플루언스 영역에서는 표면 광 산란을 유발하는 불규칙한 구조를 형성하여 LIPSS 의 형성을 방해한다. 하지만 어블레이션 에너지 이하의 높은 범위의 플루언스에서도 적절한 펄스 수에서의 레이저 처리는 상당히 누적된 레이저 에너지로 인해 pillar 로 성장된 다결정 실리콘 LIPSS 를 형성할 수 있다.
2 차원 레이저 스캔은 한 방향으로의 스캔이 그의 수직방향으로 다시한번 스캔 되는 과정으로 여길 수 있다. 처음 1 차원 스캔에서 ripple 은 문턱 에너지에서부터 특정 에너지 이하에서 발생하고, 이 1 차원 스캔의 ripple 은 2 차원 스캐닝 공정의 "seed"가 된다. 그 결과 seed 가 형성되는 영역이 겹치는 정도에 따라 표면에 누적되는 레이저 에너지의 변동 비율이 5% 이하로 매우 균일한 2 차원 LIPSS 를 형성하였다.
매우 균일한 대면적 LIPSS 는 light-emitting diode 뿐만 아니라 photovoltaic device, optical sensor, biology 등의 다양한 전자 산업 분야로 활용될 가능성이 있다.