KR100525439B1 - Ｓｌｓ 결정화마스크, 결정화장비 및 결정화방법 - Google Patents
Ｓｌｓ 결정화마스크, 결정화장비 및 결정화방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 마스크 변경으로 휘도의 균일화를 이룰 수 있는 SLS 결정화 장비 및 결정화 방법에 관한 것으로, 레이저빔을 생성하는 레이저 발생장치; 상기 레이저 발생장치에 대응하여 위치하고, X방향 또는 Y방향으로 움직이는 X-Y 스테이지; 상기 X-Y스테이지와 상기 레이저 발생장치 사이에 위치하고, 레이저빔을 통과시키며, 지그재그 형상으로 랜덤하게 형성된 다수의 슬릿을 포함하는 마스크; 및 상기 마스크를 통과한 레이저빔을 일정 비율로 축소하는 축소렌즈를 포함하는 SLS 결정화 장비와, 결정화 방법으로는 비정질 실리콘 박막이 증착된 기판을 제공하는 단계와, 상기 비정질 실리콘 박막 상에 지그재그 형상으로 랜덤하게 형성된 다수의 슬릿을 포함하는 마스크를 이용하여 상기 마스크를 장벽으로 레이저빔을 조사하여 상기 비정질 실리콘 박막 중 일부분을 결정화하는 제 1 결정화 단계와, 상기 기판을 미소한 거리만큼 이동한 후 레이저빔을 조사하여, 상기 결정화된 일부분에 근접한 비정질 실리콘을 결정화하는 제 2 결정화 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 SLS(Sequential Lateral Solidification) 결정화 마스크(Mask), 결정화장비 및 결정화방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 마스크 변경을 통해 화면품위를 향상시킬 수 있는 SLS 결정화 마스크, 결정화장비 및 결정화방법에 관한 것이다.
일반적으로, 실리콘은 상태에 따라 비정질 실리콘(amorphous silicon)과 결정실 실리콘(crystalline silicon)으로 나눌 수 있다.
상기 비정질 실리콘은 낮은 온도에서 증착하여 박막(thin film)을 형성하는 것이 가능하여, 주로 낮은 용융점을 가지는 유리를 기판으로 사용하는 액정패널(liquid crystal panel)의 스위칭 소자(switching device)에 많이 사용한다.
그러나, 상기 비정질 실리콘 박막은 액정패널 구동소자의 전기적 특성과 신뢰성 저하 및 표시소자 대면적화에 어려움이 있다.
대면적, 고정세 및 패널 영상구동회로, 일체형 랩탑컴퓨터(laptop computer), 벽걸이 TV용 액정표시소자의 상용화는 우수한 전기적 특성(예를 들면 높은 전계효과 이동도(30㎠/VS)와 고주파 동작특성 및 낮은 누설전류(leakage current))의 화소 구동소자 응용을 요구하며 이는 고품위 다결정 실리콘(poly crystalline silicon)의 응용을 요구하고 있다.
특히, 다결정 실리콘 박막의 전기적 특성은 결정립(grain)의 크기에 큰 영향을 받는다. 즉, 결정립의 크기가 증가함에 따라 전계효과 이동도도 따라 증가한다.
따라서, 이러한 점을 고려하여 실리콘을 단결정화 하는 방법이 큰 이슈로 떠오르고 있으며, 최근 들어 에너지원을 레이저로 하여 실리콘 결정의 측면성장을 유도하여 거대한 단결정 실리콘을 제조하는 SLS(sequential lateral solidification)(연속적인 측면 고상화 라함.)기술이 제안되었다.
상기 SLS 기술은 실리콘 그레인이 액상 실리콘과 고상 실리콘의 경계면에서 그 경계면에 대하여 수직 방향으로 성장한다는 사실을 이용한 것으로, 레이저 에너지의 크기와 레이저빔(laser beam)의 조사범위의 이동을 적절하게 조절하여 실리콘 그레인을 소정의 길이만큼 측면성장 시킴으로서 비정질 실리콘 박막을 결정화시키는 것이다.
이러한 SLS기술을 실현하기 위한 SLS 장비는 이하, 도 1에 도시한 바와 같다.
상기 SLS 장비(32)는 레이저빔(34)을 발생하는 레이저 발생장치(36)와, 상기 레이저 발생장치를 통해 방출된 레이저빔을 집속시키는 집속렌즈(40)와, 샘플(44)에 레이저빔을 나누어 조사시키는 마스크(38)와, 상기 마스크(38)의 상, 하부에 위치하여 상기 마스크를 통과한 레이저빔(34)을 일정한 비율로 축소하는 축소렌즈(42)로 구성된다.
상기 레이저빔 발생장치(36)는 광원에서 가공되지 않은 레이저빔을 방출시키고, 어테뉴에이터(미도시)를 통과시켜 레이저빔의 에너지 크기를 조절하고, 상기 집속렌즈(40)를 통해 레이저 빔(34)을 조사하게 된다.
상기 마스크(38)에 대응되는 위치에는 비정질 실리콘 박막이 형성된 기판(44)이 고정된 X-Y스테이지(46)가 위치한다.
이때, 종래에는 상기 레이저 빔 발생장치(36)와 상기 마스크(38)는 한 위치에 고정되어 있는 구조임으로, 상기 샘플(44)의 모든 영역을 결정화하기 위해서는 상기 X-Y스테이지(46)를 미소하게 이동하여 줌으로써 결정영역을 확대해 나갈 수 있다.
전술한 구성에서, 상기 마스크(38)는 상기 레이저빔을 통과시키는 투과영역인 다수의 슬릿(A)과, 레이저빔을 흡수하는 상기 슬릿(A)사이의 영역인 흡수영역(B)으로 구분된다.
이때, 상기 마스크에 구성된 슬릿(A)의 너비는 1차 레이저빔 조사에 의해 결정화되는 실리콘 결정의 그레인의 크기를 결정하며, 상기 슬릿과 슬릿의 간격은 측면 성장한 그레인의 크기를 결정한다.
전술한 바와 같은 종래의 SLS 결정화 장비를 이용하여 실리콘을 결정화하는 방법을 알아본다.
일반적으로, 결정질 실리콘은 비정질 선행 막을 증착 한 후에 이를 이용하여 형성한다. 상기 비정질 선행 막은 일반적으로 화학기상증착법(CVD)등을 사용하여 기판에 증착하게 되며, 박막 내에 수소를 많이 함유하고 있다.
상기 수소는 열에 의해 박막을 이탈하는 특징이 있기 때문에, 상기 비정질 선행 막을 1차로 열처리하여 탈수소화 과정을 거치는 것이 필요하다.
왜냐하면, 수소를 미리 제거하지 않은 경우에는 결정박막의 표면이 매우 거칠어져 전기적으로 특성이 좋지 않기 때문이다.
도 2는 탈수소화 과정을 거치고 일부분이 결정화된 비정질 실리콘(52)막이 형성된 기판(54)이다.
도시한 바와 같이, 레이저빔을 이용한 결정화는 기판(54)의 전 면적을 동시에 결정화 할 수 없다.
왜냐하면, 레이저빔의 빔폭과 마스크(도 1의 38)의 크기가 제한되어 있기 때문에 대면적으로 갈수록 상기 하나의 마스크(도 1의 38)를 여러 번 정렬하고, 그 때마다 결정화 과정을 반복함으로써 결정화가 이루어진다.
이하, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 비정질 실리콘 막의 결정화 공정을 설명한다.
도 3a 내지 도 3c는 종래의 SLS 장비를 이용한 비정질 실리콘 박막의 결정화 과정을 순서대로 도시한 평면도이다.(이때, 도 2의 한 블록 단위의 결정화를 예를 들어 설명하였다. 또한, 상기 마스크에는 3개의 슬릿이 형성되었다고 가정하자.)
도 3a는 레이저빔을 1차 조사하였을 경우, 비정질 실리콘이 결정질 실리콘으로 결정화된 단계를 도시한 도면이다.
먼저, 비정질 실리콘 박막(52)의 상부에 위치한 상기 마스크(미도시)를 통해 레이저빔을 1차 조사한다. 이때, 조사된 레이저빔은 상기 마스크에 구성된 다수의 슬릿(도 1의 A)에 의해 나누어져 부분적(D,E,F)으로 비정질 실리콘 박막(52)을 녹여 액상화한다. 이와 같은 경우, 상기 레이저 에너지의 정도는 상기 비정질 실리콘 박막이 완전히 녹을 정도의 고 에너지영역대(complete melting regime)를 사용한다.
상기 완전히 멜팅(melting)되어 액상화된 실리콘은 레이저빔의 조사가 끝나면 비정질 실리콘 영역과 액상화된 실리콘 영역의 계면(56)에서 실리콘 그레인(58a)의 측면성장이 진행된다. 그레인의 측면성장은 상기 계면(56)에 대해 수직으로 일어난다.
결과적으로, 상기 마스크(도 1의 38)에 구성한 슬릿(도 1의 A)의 수만큼 한 블럭내에 부분적으로 결정화된 영역(D,E,F)이 발생한다.
다음으로, 도 3b는 레이저빔을 2차 조사하여, 그레인이 성장한 모양을 도시한 도면이다.
상기 1차 레이저 빔 조사 후에, 상기 X-Y 스테이지(도 1의 46)를 그레인의 측면성장 길이와 같거나 작게 수㎛ 이동한 후, 다시 2차 레이저빔 조사를 실시한다. 상기 2차 조사된 레이저빔에 닿은 실리콘 부분은 액상화 된 후 다시 결정화된다.
이때, 1차 조사결과로 형성된 다결정 실리콘 영역의 실리콘 그레인(58a)이 씨드로 작용하여 실리콘 용융영역으로 그레인의 측면성장이 이루어진다.
2차 조사가 끝난 후의 실리콘 결정(58b)은 1차 조사에 의해 성장한 그레인(58a)에 연속하여 더욱 측면성장 한다.
따라서, 전술한 바와 같은 공정을 다수 반복하여 도 3c에 도시한 바와 같이 한 블록에 해당하는 비정질 박막을 결정질 박막(58c)으로 형성할 수 있다.
또한, 상기 블록단위의 결정화 공정을 반복하여, 큰 면적의 비정질 박막을 결정질 박막으로 형성할 수 있다.
그러나, 종래의 SLS 결정화 장비를 이용한 결정화 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
도 4는 종래 마스크의 평면도를 나타낸 것으로, 전술한 바와 같이 상기 마스크(38)는 상기 레이저빔을 통과시키는 투과영역인 다수의 슬릿(A)과, 레이저빔을 흡수하는 상기 슬릿(A)사이의 영역인 흡수영역(B)으로 구분된다.
여기서, 상기 슬릿(A) 끝단부(C)가 거의 일직선(X 라인)으로 형성되어 있는데, 이는 액정표시소자 또는 전계발광소자 등에서의 박막트랜지스터가 상기 X 라인상에 형성되면, 다른 영역상에 형성된 박막트랜지스터와 스위칭 특성이 달라져 휘도 불균일 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 마스크 변경으로 휘도의 균일화를 이룰 수 있는 SLS 결정화 마스크, 결정화장비 및 결정화 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적 달성을 위한 본 발명의 SLS 결정화 마스크는 일정 간격을 갖고 일방향으로 복수 개의 슬릿이 형성되고, 상기 각 슬릿의 끝단은 이웃하는 슬릿의 끝단과 서로 다르게 위치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 SLS 결정화 장비는 레이저빔을 생성하는 레이저 발생장치; 상기 레이저 발생장치에 대응하여 위치하고, X방향 또는 Y방향으로 움직이는 X-Y 스테이지; 상기 X-Y스테이지와 상기 레이저 발생장치 사이에 위치하고, 일정 간격 및 일방향으로 형성된 복수 개의 슬릿을 포함하며 상기 각 슬릿의 끝단이 이웃하는 슬릿의 끝단과 서로 다르게 위치된 마스크; 및 상기 마스크를 통과한 레이저빔을 일정 비율로 축소하는 축소렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 결정화 방법은 비정질 실리콘 박막이 증착된 기판을 제공하는 단계와, 상기 비정질 실리콘 박막 상에 일정 간격 및 일방향으로 형성된 복수 개의 슬릿을 포함하며 상기 각 슬릿의 끝단이 이웃하는 슬릿의 끝단과 서로 다르게 위치된 마스크를 이용하여 상기 마스크를 장벽으로 레이저빔을 조사하여 상기 비정질 실리콘 박막 중 일부분을 결정화하는 제 1 결정화 단계와, 상기 기판을 미소한 거리만큼 이동한 후 레이저빔을 조사하여, 상기 결정화된 일부분에 근접한 비정질 실리콘을 결정화하는 제 2 결정화 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 결정화 장비는 도 1에서 전술한 바와 같이, 레이저 빔을 생성하는 레이저 발생장치와, 상기 레이저 장치를 통해 방출된 레이저빔을 집속시키는 집속렌즈와, 레이저빔을 슬릿을 통해 나누는 마스크와, 상기 마스크의 하부에 위치하여 상기 마스크를 통과한 레이저빔의 크기를 소정의 비율로 축소하는 축소렌즈를 포함한다. 또한, 상기 마스크에 대응되는 위치에는 비정질 실리콘 박막이 형성된 기판이 고정된 X-Y스테이지가 위치한다.
이때, 상기 마스크의 구조를 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마스크(138)는 상기 레이저빔을 통과시키는 투과영역인 다수의 슬릿(A)과, 레이저빔을 흡수하는 상기 슬릿(A)사이의 영역인 흡수영역(B)으로 구성되어 있고, 상기 슬릿(A)의 끝단부가 종래의 도 4와는 달리 지그재그 형상으로 랜덤(Random)하게 배열되어 있다.
상기와 같은 마스크(138)를 이용하여 기판 상에 증착되어 있는 비정질 실리콘 박막을 블록단위로 결정화한다.
상기 결정화 방법은 도 6a에 도시한 바와 같이, 비정질 실리콘막(143)이 증착된 기판(144)을 X-Y 스테이지(160)에 고정 한 후, 상기 마스크(138)의 상부로 레이저 빔(139)을 조사한다.
상기 레이저 빔(139)은 상기 마스크에 구성된 랜덤하게 배열된 다수의 슬릿(A)을 통해 나누어져, 한 블록내의 비정질 실리콘 박막을 부분적으로 녹여 액상 실리콘 상태로 만든다.
레이저 빔 조사를 멈추게 되면, 액상 실리콘은 급속하게 냉각되면서 비정질 실리콘과 액상 실리콘의 경계(150)에서 그레인(148a)이 성장하게 된다. 이때 그레인(150)의 크기는 상기 슬릿(A)의 너비에 따라 제어할 수 있다.
다음, 상기 X-Y 스테이지(도 6a의 160)를 그레인(148a)의 측면성장 길이와 같거나 작게 수㎛ 이동한 후, 다시 2차 레이저빔 조사를 실시한다. 상기 2차 조사된 레이저빔에 닿은 실리콘 부분은 액상화 된 후 다시 결정화된다.
다시 말해서, 상기 미소한 거리로 움직인 기판 상의 비정질 실리콘 박막(143)에 레이저빔을 조사하게 되면, 상기 레이저빔은 상기 마스크(138) 통과하여 1 차 조사 때의 결정영역의 일부와 이에 근접한 영역의 비정질 실리콘막을 녹이게 된다. 다음, 레이저 빔 조사를 멈추게 되면, 상기 제 1 조사 때 형성한 그레인(도 6a의 148a)이 씨드(seed)로 작용하여 측면성장한 결정(148b)을 얻을 수 있다.
전술한 바와 같은 공정을 반복하여 도 6c와 같이 실리콘 결정성장을 완료한다.
다음으로, 임의의 한 블록(L)의 결정화가 모두 끝나면, 실리콘의 결정성장이 이루어지지 않은 다음 블록의 결정성장 공정을 시작한다.
이때, 상기 결정화된 실리콘의 끝단이 본 발명의 실시예에 따른 마스크(138)를 통해 랜덤하게 결정화되어 있기 때문에, 랜덤하게 결정화된 실리콘의 경계부위에 박막 트랜지스터가 형성될 지라도 종래와 같은 격자 형태의 휘도 불균일 현상을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명의 SLS 결정화 장비 및 결정화 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
지그재그 형상으로 랜덤하게 배열된 슬릿을 구비하는 마스크를 이용하여 실리콘 박막 끝단이 랜덤하게 결정화되도록 유도함으로써 종래와 같은 격자 형태의 휘도 불균일 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 SLS 결정화 장비의 구성도.
도 2는 부분적으로 결정화가 진행된 비정질 실리콘 박막이 증착된 기판의 상태도.
도 3a 내지 도 3c는 종래의 SLS 장비를 이용하여 결정화하는 과정을 도시한 단면도.
도 4는 종래의 마스크 구조도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마스크의 구조도.
도 6a 내지 도 6c는 도 5의 마스크를 구비한 SLS 장비를 이용하여 결정화하는 과정을 도시한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
138 : 마스크 139 : 레이저빔
143 : 비정질 실리콘 박막 144 : 기판
148a : 그레인 160 : X-Y스테이지
A : 슬릿
Claims (4)
- SLS 결정화 마스크에 있어서,일정 간격을 갖고 일방향으로 복수 개의 슬릿이 형성되고, 상기 각 슬릿의 끝단은 이웃하는 슬릿의 끝단과 서로 다르게 위치됨을 특징으로 하는 SLS 결정화 마스크.
- 레이저빔을 생성하는 레이저 발생장치;상기 레이저 발생장치에 대응하여 위치하고, X방향 또는 Y방향으로 움직이는 X-Y 스테이지;상기 X-Y스테이지와 상기 레이저 발생장치 사이에 위치하고, 일정 간격 및 일방향으로 형성된 복수 개의 슬릿을 포함하며 상기 각 슬릿의 끝단이 이웃하는 슬릿의 끝단과 서로 다르게 위치된 마스크; 및상기 마스크를 통과한 레이저빔을 일정 비율로 축소하는 축소렌즈를 포함하는 SLS 결정화 장비.
- 비정질 실리콘 박막이 증착된 기판을 제공하는 단계와,상기 비정질 실리콘 박막 상에 일정 간격 및 일방향으로 형성된 복수 개의 슬릿을 포함하며 상기 각 슬릿의 끝단이 이웃하는 슬릿의 끝단과 서로 다르게 위치된 마스크를 이용하여 상기 마스크를 장벽으로 레이저빔을 조사하여 상기 비정질 실리콘 박막 중 일부분을 결정화하는 제 1 결정화 단계와,상기 기판을 미소한 거리만큼 이동한 후 레이저빔을 조사하여, 상기 결정화된 일부분에 근접한 비정질 실리콘을 결정화하는 제 2 결정화 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 SLS 결정화 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 제 1, 제 2 결정화단계는 상기 레이저빔을 상기 비정질 실리콘 박막에 투사하여 액상화한 후, 고상화하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 SLS 결정화 방법.
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| KR10-2002-0047540A KR100525439B1 (ko) | 2002-08-12 | 2002-08-12 | Ｓｌｓ 결정화마스크, 결정화장비 및 결정화방법 |
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2002
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Patent Citations (1)
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