물질의 표면에 레이저가 여러 차례 조사되면 표면에 주기적인 구조가 형성되며, 이를 laser-induced periodic surface structure (LIPSS)라 한다. LIPSS는 입사된 빛(전자기파)과 표면에서 산란(또는 회절)된 빛의 간섭 현상으로 설명된다. 일반적으로 LIPSS는 레이저 세기, 조사 횟수, 레이저 빔의 입사각, 레이저 편광에 따라 변하며 금속, 반도체, 비금속, 유기물 등 대부분의 물질에서 나타난다^[1-7]. 선편광된 레이저가 수직 입사하면, 레이저의 파장에 해당하는 주기적 배열이 편광에 수직 방향으로 형성되는 것으로 알려져 있다^[8].

Si 박막은 반도체, 디스플레이, 태양전지, 센서 등 IT 디바이스에 널리 이용되며, 특히 디스플레이 소자에서 고품질의 실리콘 박막이 필수적이다. 이를 위해 레이저를 이용하여 비정질 실리콘(amorphous-Si, a-Si)을 결정질 실리콘(poly-Si)으로 변환하는 저온 폴리 실리콘(low-temperature polycrystalline silicon, LTPS) 기술이 이용된다^[9,10]. 레이저 빔이 a-Si에 흡수되면 순간적으로 a-Si이 액상 실리콘(liquid-Si)이 된 후, 급속하게 냉각되면서 p-Si으로 변환된다. 현재 능동형 유기 발광 다이오드(active matrix organic light emitting diode, AMOLED) 디스플레이에 적용된 LTPS 기술은 엑시머(excimer) 레이저(XeCl, λ = 308 nm)를 flat-top 형태의 라인 빔으로 변환하여 a-Si이 증착된 유리기판을 스캔하여 약 300 nm의 p-Si을 생성함으로써 ~100 cm²/Vs의 이동도(mobility)를 얻고 있다^[9,10].

한편 기체 레이저인 엑시머 레이저보다 상대적으로 안정적인 고체레이저를 이용하고, 라인 빔 대신 가우시안 빔을 이용하는 LTPS 연구도 시도되고 있다^[11-14]. 가우시안 빔은 대면적 스캔에 사용되는 라인 빔 광학계가 필요하지 않아 적은 비용으로 대면적 스캔이 용이한 장점이 있으나, 가우시안 빔은 세기가 균일하지 않기 때문에 레이저 에너지와 가우시안 빔의 스캔 방법을 최적화하여 균일한 표면 구조를 형성하는 연구를 필요로 한다^[11-14].

본 연구에서는 355 nm 파장의 나노초 고체 레이저를 이용하여 a-Si 박막을 p-Si 박막으로 변환하고, 레이저 세기 100–130 mJ/cm²에서 x-, y-방향의 스캔 간격(scan pitch)을 5.5 μm 간격으로 스캔함으로써 균일한 표면 구조를 얻었다. 시료의 표면 구조를 광학 현미경, 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 및 분광기를 이용하여 분석한 결과, 투과 스펙트럼이 편광방향에 따라 특정 파장 대역에서 dip이 존재함을 발견하였으며 rigorous coupled-wave analysis (RCWA) 이론과 회절 분석을 통해 이것이 도파모드 공진에 의한 결과임을 규명하였다.

2.1. 실험 방법

레이저는 355 nm 파장의 Huaray사 Nd:YVO₄ 고체 레이저를 사용하였고, 레이저 반복률(repetition rate)은 30 kHz, 레이저 펄스지속 시간은 12 ns이다. 시료는 금속유기화학기상법(MOCVD)으로 두께 0.5 mm 유리 기판에 oxide를 300 nm 증착한 뒤, 그 위에 다시 a-Si 박막을 45 nm 두께로 증착하였다. 이때 그림 1(a)와 같이 2개의 galvano-mirror를 이용하여 레이저 빔을 제어하고, 초점거리 255 mm인 F-theta lens를 이용하였다. 그림 1(b), 1(c)는 빔 프로파일러로 측정한 single beam 이미지와 중심에서의 단면 형상을 나타낸다. 그림 1(c)에서 실선은 단면 형상, 점선은 아래의 가우시안 함수로 fitting한 결과이며 두 곡선은 일치한다.

Figure 1. (a) Schematic of the laser-scanning system for nanosecond laser annealing. (b) Spatial profile of a single laser beam and (c) cross-sectional profile of the laser beam (black solid lines) and Gaussian fit curve (red dotted lines) along the white dashed line in (b).

여기서 I_o = E_o/(2πσ²)는 레이저 최대 면밀도(maximum fluence)이고, E_o는 펄스당 레이저 에너지, σ = 48 µm이다. 빔의 크기는 레이저 최대값(I_o)의 1/e²이 되는 조건에서 2r = 4σ = 196 µm이고, 이때 빔의 면적은 4πσ² = 0.0289 mm²이다. 펄스당 레이저 에너지 E_o는 15–18 mJ 값을 이용하였고, 이는 레이저 최대 면밀도 100–130 mJ/cm²에 해당한다.

2.2. Si 박막의 주기적 표면 구조

a-Si 박막에 가우시안 빔을 스캔할 때, 레이저 에너지가 낮으면 p-Si 생성이 불가하고, 반대로 레이저 에너지가 크면 표면에 과도한 에너지가 집중되어 박막이 박리(peel-off) 또는 기화(vaporization)된다^[13,14]. 레이저 빔 스캔 간격(pitch)은 균일한 표면을 형성하는 데 중요한 요소인데, pitch가 크면 스캔 자국이 발생하고, pitch가 작으면 단위 면적당 레이저 에너지가 증가해서 표면이 훼손된다. 본 실험에서는 레이저 스캔 간격을 x축, y축으로 dx = dy = 5.5 μm로 고정하고 레이저 세기를 변화하였다. 또한 Si 박막 표면에 LIPSS 구조를 형성하는 최소(또는 임계) 레이저 면밀도(I_th)는 70 mJ/cm²를 이용하였다. I_th값과 식 (1)을 이용하여 레이저의 유효 조사횟수(N_eff)를 다음과 같이 구할 수 있다.

그림 2는 레이저 면밀도 I_o를 각각 그림 2(a)에서 105 mJ/cm², 그림 2(b)에서 115 mJ/cm², 그림 2(c)에서 125 mJ/cm²로 2차원 스캔한 시료의 광학 현미경 이미지이다. 이때 식 (2)에서 얻어진 유효 조사횟수인 N_eff는 그림 2(a)에서 194회, 그림 2(b)에서 238회, 그림 2(c)에서 277회이고, 모든 표면이 균일한 특성을 보이지만 레이저 세기가 증가할수록 표면이 점차 흐릿하게 변하는 특징이 있다.

Figure 2. Optical microscope images of Si surfaces irradiated by a laser with (a) I_o = 105 mJ/cm², (b) 115 mJ/cm², and (c) 125 mJ/cm². (d)–(f) Scanning electron microscope (SEM) images of the black dashed boxes in (a)–(c), respectively. The white arrow in (d) indicates the polarization direction.

표면의 미세 구조를 분석하기 위해 그림 2(a)–2(c) 각 이미지 점선 영역에서의 SEM 이미지를 각각 그림 2(d)–2(f)와 비교하였다. 그림 2(d)는 특별한 구조가 보이지 않지만, 그림 2(e), 2(f)는 수직 방향으로 규칙적인 무늬가 형성된 것을 볼 수 있으며 각 무늬는 미세한 나노 입자들의 배열로 구성되어 있다. LIPSS의 주기성은 레이저에 의해 액상(liquid phase)으로 변환된 실리콘 표면 내부의 자유 전자에 의한 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)에 의해 형성되는데, 이는 레이저의 파장, 편광, 입사각도에 따라 결정된다^[5,8]. 또한 LIPSS 공정에서 나노입자 배열이 형성되는 것은 레이저에 의해 용융된 액상 실리콘의 표면 에너지가 최소화된 구조로 변화하기 때문에 나타나는 현상(Rayleigh-Plateau instability)으로, 레이저의 면밀도, 레이저 조사횟수에 따라 크기가 변화함이 다른 문헌에서도 보고되고 있다^[8,15]. 백색 화살표는 레이저 편광 방향이며, 편광에 수직한 방향으로 주기적 배열이 정렬된 것이 LIPSS 이론과 일치한다^[11-14]. 그림 2(a), 2(d)의 공정조건(I_o = 105 mJ/cm², N_eff = 194)은 레이저 세기가 충분히 강하지 않기 때문에 LIPSS 구조가 형성되기 어려운 반면, 그림 2(b), 2(e)와 그림 2(c), 2(f)에서는 이를 충족하여 주기적 배열이 형성되었다. 이때 배열의 주기(period)를 알기 위해 SEM 이미지를 2차원 푸리에 변환(2D Fourier transform, 2DFT)하여 그림 2에 추가하였다. 그 결과 2DFT 이미지에서 가로 방향의 peak가 관측되었는데, 이때 peak의 값, k_x = 2^π/L로부터 주기(L)를 구할 수 있다. 계산에 따르면 그림 2(d)는 주기가 없고, 그림 2(e)와 그림 2(f)에서 주기는 Λ ~330 nm임을 알 수 있으며 이는 355 nm 레이저 파장의 ~93%에 해당한다^[11-14].

2.3. Si 박막의 분광 특성

그림 3은 그림 2의 각 시료에 transverse-magnetic (TM) (적색), transverse-electric (TE) (청색) 편광에 대한 투과 스펙트럼을 나타낸다. 입사면(incident plane)은 그림 2의 시료를 기준으로 수평이며, 두 곡선의 비교를 위해 TM 편광의 투과율 그래프를 10%p만큼 더하여 나타내었다. 투과율 그래프의 거시적 형태는 조금씩 다른데, 그림 3(a)는 480 nm에서 peak를 보이다가 파장이 증가할수록 감소하고, 600 nm 이후 다시 조금씩 증가하는 모습을 보인다. 이는 레이저가 조사되지 않은 45 nm 두께의 a-Si 박막의 투과율과 유사하다^[12]. 반면에 그림 3(b), 3(c)에서의 투과율 곡선은 단파장 영역(400–600 nm)이 점차 감소하는 경향을 보여준다. 이는 박막에 조사되는 레이저에 의해 박막의 유효 두께가 감소한 것이 거시적 투과율 그래프의 변화로 나타났음을 뜻한다^[12]. 또한 편광에 따라 특정 파장대에서 dip이 존재하는데, TM 편광의 경우 500 nm 근방, TE 편광은 700 nm 근방에서 관측되었다. Dip의 크기는 레이저 에너지에 따라 증가하는 경향을 보인다. TE 편광의 경우, 그림 3(a)에서 707 nm일 때, 그림 3(b)에서 690 nm일 때, 그림 3(c)에서 665 nm일 때 각각 dip이 관측되었다. TM 편광의 경우, 그림 3(a)에서 519 nm일 때, 그림 3(b)에서 503 nm일 때 dip이 관측되었으나, 그림 3(c)에서는 관측되지 않았다. 이러한 편광에 따른 dip의 존재는 주기적 표면 구조에서 생성된 도파모드 공진에 의한 특성으로 설명할 수 있다^[12].

Figure 3. Polarized transmittance spectra of Si surfaces corresponding to the samples in Figs. 2(a)–2(c). TE (blue line) and TM (red line) curves are separated by 10%p for clear comparison. The peak positions for each sample are indicated. (a) I_o = 105 mJ/cm², (b) I_o = 115 mJ/cm², (c) I_o = 125 mJ/cm². TE, transverse-electric; TM, transverse-magnetic.

그림 2의 주기적 표면 구조는 1차원 회절격자(grating) 역할을 하기 때문에, 시료의 표면에 조사된 빛에 의한 회절을 예상할 수 있다. 그림 4(a)–4(c)는 그림 2(a)–2(c)의 각 시료에 대한 회절 스펙트럼 결과이다. 백색광이 x축 입사면 기준 수직에서 θ_o = −70°로 입사되고, 회절광은 θ_d = −40°–20°범위에서 10° 간격으로 측정되었다. 회절 세기는 상대적 비율로 나타내었는데, 그림 4(b)에서 회절 peak가 가장 큰 것을 알 수 있다. 이는 그림 2(e)의 SEM 이미지에서 관측된 바와 같이 LIPSS가 가장 잘 정렬되어 회절격자 특성이 우수하였기 때문이다. 반면 그림 2(f)는 그림 2(e)에 비해서 상대적으로 LIPSS 분포가 불규칙하였기 때문에 회절 특성이 낮았다.

Figure 4. Diffraction intensities of Si surfaces corresponding to the samples in Figs. 2(a)–2(c). Incident light is illuminated at θ_o = −70° from normal direction and diffractions are detected at different angles between −40° and 20°. The number at each peak is estimated using the grating equation with a period, L. (a) I_o = 105 mJ/cm², (b) I_o = 115 mJ/cm², (c) I_o = 125 mJ/cm².

회절방정식을 통해 그림 4에서 측정된 peak 중심 파장으로 회절격자의 주기를 구할 수 있으며, 이를 그림 4에 화살표와 함께 나타내었다. 이때 괄호 없이 표시한 숫자는 1차 회절 파장이고, 괄호로 표시한 숫자는 2차 회절 파장이다. 회절 방정식은 mλ = Λ(sin θ_o − sin θ_d)를 이용하였고, m은 회절 차수, Λ는 격자 간격, θ_o는 입사각, θ_d는 회절각, λ는 파장이다. 그림 4(a)–4(c)의 peak 파장에 대응하는 격자 주기는 그림 4(a)에서 Λ = 338 nm, 그림 4(b)에서 Λ = 332 nm, 그림 4(c)에서 Λ = 333 nm이다. 이는 그림 2의 2DFT 이미지에서 얻어진 주기 330 nm 와 2% 이내로 일치하였다.

2.4. 1D 격자모델 시뮬레이션

편광에 따른 투과율 곡선에서 특정 파장에서 dip이 발생하는 현상을 RCWA를 이용하여 시뮬레이션하였다^[16]. 그림 5(a)는 시뮬레이션에 사용된 1D 격자 모델로, Si 박막의 상단에 y축 방향으로 격자구조를 설정하였다. 그림 5(b)는 각 구성물질의 굴절률 값이다. 유리 기판의 굴절률은 n = 1.5이고, a-Si, p-Si, crystalline-Si, oxide의 굴절률은 ^[17]에 제시된 값을 이용하였다. Si 박막은 레이저에 의해 LIPSS가 형성된 회절격자층과 하부에 존재하는 두 개의 Si 박막층으로 나누었는데, 하부 Si 박막의 두께는 그림 2의 각 시료에 대해서 그림 2(a) 38 nm, 그림 2(b) 30 nm, 그림 2(c) 25 nm로 설정하였고, 상부 격자의 높이(h)는 17 nm로 고정하였으며, 격자 폭(w)은 그림 2(a) 17 nm, 그림 2(b) 50 nm, 그림 2(c) 40 nm로 설정하였다.

Figure 5. (a) Schematic plot of normally incident light on the 1D grating surface with TE (φ = 90°) and TM (φ = 0°) polarized light. (b) Refractive indices of a-Si, p-Si, crystalline Si, and oxide, where the solid line (n) and dashed line (k) represent real and imaginary values, respectively. TE, transverse-electric; TM, transverse-magnetic.

편광각 φ = 0° (TM), 30°, 60°, 90° (TE)의 빛이 수직 입사된 경우의 시료 투과율 측정값과 RCWA 시뮬레이션을 실행한 결과를 그림 6에 각 그래프를 분리하여 표시하였다. 그림 6을 통해 시뮬레이션 결과와 측정된 투과율 그래프의 전체적인 모양이 거의 유사함을 알 수 있으며, 이는 레이저에 의해 Si 상부층의 일부가 격자구조로 변형되고, 하부 Si 박막은 두께가 감소하였음을 보여준다.

Figure 6. Comparison of the measured and simulated transmittance spectra at different polarizations of 0° (TM), 30°, 60°, and 90° (TE). Each plot is shifted vertically by 10%p and simulation data are shifted by 50%p for clear comparison. (a) I_o = 105 mJ/cm², (b) I_o = 115 mJ/cm², (c) I_o = 125 mJ/cm².

그림 6(a)의 시뮬레이션 결과에서 기존과 달리 dip은 500 nm이나 700 nm 근방에서 나타나지 않았지만, 대신 460 nm에서 편광각에 무관한 작은 dip이 발생했다. 이는 편광과 무관한 dip이고, 측정된 파장영역과 다르기 때문에 편광각도에 대한 투과율 dip으로 해석하기에는 무리가 있으며 다른 종류의 공명 구조로 보인다^[12]. 그림 6(b)에서 편광각도에 대한 투과율 측정 결과는 φ = 90° (TE) 편광일 때 690 nm에서 뚜렷한 dip이 관측되었으며, φ = 0° (TM) 편광일 때 500 nm에서 dip이 관측되었다. 그러므로 편광각도 φ = 0°–90°에서 두 개의 dip이 공존함을 알 수 있다. 그림 6(c)에서는 TE 편광일 때 680 nm 영역의 dip만 관측되었고, 500 nm 영역에서는 dip이 존재하지 않았다. 시뮬레이션 결과에서도 이와 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 편광에 따른 공명 dip의 위치는 RCWA 시뮬레이션으로 재현됨을 알 수 있다. 특히 최근 논문^[12]에서 공명파장에서 전기, 자기장 분포를 비교함으로써 이것이 1D 격자 구조에서의 편광에 대한 도파모드 공명의 결과임을 제시하였다.

이상의 결과는 Si 박막에 적절한 레이저 스캐닝을 통해 규칙적 나노 구조 배열을 형성할 수 있음을 보여주며, 이를 이용하면 LTPS 기판의 Si 박막 표면 ripple 배열의 편광 분석 또는 위상지연 측정을 이용한 LTPS 박막 특성 평가^[9,18], 박막태양전지의 UV 파장대역 흡수율 향상^[13,19], 표면증강형광센서(surface enhanced fluorescent sensor)^[15] 등에 활용할 수 있다.

본 연구에서는 355 nm 파장의 나노초 레이저를 비정질 실리콘(a-Si) 박막에 조사하여 형성된 주기적 LIPSS 구조의 분광학적 특성을 연구하였다. Si 박막 표면에 ~330 nm 주기의 LIPSS 구조를 형성하고 편광에 대한 투과율을 측정한 결과 TE, TM 편광일 때 각각 700 nm, 500 nm 근방에서 공명 dip을 얻었으며, 이는 표면에 형성된 1차원 격자구조에 의한 도파공명 모드의 특성임을 알 수 있었다. 따라서 편광에 따른 공명 모드의 존재를 통해 레이저 스캔만으로 박막 표면에 주기적 격자 구조 형성이 가능함을 제시하였다.

본 연구는 산업통상자원부의 ‘화면크기 10인치급 초박형 유리의 건식 이온교환 기반 영속식 화학강화 공정기술 개발과제(no. 20015627)’의 지원으로 수행되었음.

산업통상자원부 소재부품개발사업(Grant no. 20015627).

저자는 본 논문과 관련된 어떠한 이해충돌 사항도 없었음을 밝힌다.

본 연구의 결과 분석 및 생성된 데이터에 접근하거나 사용하고자 하는 이는 저자에게 타당한 이유를 밝히고 허가를 득해 사용가능하다.