KR100544438B1 - 마스크와 이를 이용한 결정화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘의 결정화 방법에 관한 것으로, 특히 레이저 빔(laser beam)을 이용한 실리콘 결정화방법 중 실리콘 결정립(grain)의 연속측면성장을 유도하여 결정화하는 방법(SLS :Sequential Lateral Solidification)에 관한 것이다.

본 발명은 결정화 공정을 진행할 때, x-방향으로 발생하는 결정의 불연속 영역에 의한 샷 마크(shot mark)를 제거하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해, 연속 측면성장 결정화용 마스크(mask)를 구성할 때, 종래와는 달리 마스크의 슬릿(slit) 길이를 길게 하고, 폭(결정립의 성장 방향과 평행한 폭)은 짧게 구성하여, 결정화를 진행할 때 x 방향으로 마스크의 크기만큼 이동하면서 결정화를 진행한 후, y방향으로 이동하지 않고 다시 -x 방향인 역방향으로 결정화를 진행하는 것을 특징으로 한다.

이때, 필요한 것은 역방향으로 처음 마스크를 이동했을 때, 레이저샷이 조사되지 않고 잠깐 멈추는 시간이 필요하다.

즉, 순간 멈추었다가 다시 트리거링(triggering)하는 조건이 필요하며 이를 제어장치를 통해 제어하는 것을 본 발명의 또 다른 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 방법은, x 방향으로 발생하였던 결정의 불연속영역이 발생하지 않으므로 화면에 샷마크(shot mark)가 관찰되지 않는 장점이 있다.

Description

마스크와 이를 이용한 결정화방법{A mask and Method for crystallizing of an amorphous Si using the mask}

도 1은 SLS결정화 장비를 도시한 도면이고,

도 2는 결정화가 일부 진행된 기판을 도시한 도면이고,

도 3은 종래의 제 1 예에 따른 마스크의 구성을 개략적으로 도시한 평면도이다.

도 4a 내지 도 4c는 종래의 제 1 예에 따른 실리콘 결정화 공정을 공정 순서에 따라 도시한 공정 평면도이고,

도 5는 종래의 제 2 예에 따른 마스크의 구성을 개략적으로 도시한 평면도이고,

도 6a 내지 도 6f는 종래의 제 2 예에 따른 실리콘 결정화 공정을 공정 순서에 따라 도시한 공정 평면도이고,

도 7은 본 발명에 따른 마스크의 구성을 개략적으로 도시한 평면도이고,

도 8은 본 발명에 따른 레이저 빔 발생장치와, x-y 스테이지와, 제어장치의 관계를 도식적으로 도시한 도면이고,

도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 실리콘 결정화 공정을 공정순서에 따라 도시한 공정 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 마스크 S: 슬릿

본 발명은 마스크와 이를 이용한 연속 측면성장 결정화 방법에 관한 것으로, 특히 x방향 및 y 방향으로의 샷마크(shot mark)가 발생하지 않는 연속 측면성장 결정화용 마스크와 이를 이용한 결정화 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 실리콘은 결정상태에 따라 비정질 실리콘(amorphous silicon)과 결정질 실리콘(crystalline silicon)으로 나눌 수 있다.

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 구동소자를 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 이동도(mobility)도 따라 증가한다.

따라서, 이러한 점을 고려하여 실리콘을 단결정화 하는 방법이 큰 이슈로 떠오르고 있으며, 최근 들어 에너지원을 레이저로 하여 실리콘 결정의 측면성장을 유도함으로써, 거대한 단결정 실리콘을 제조하는 SLS(sequential lateral solidification)(연속적인 측면 고상화라함.)기술이 국제특허 "WO 97/45827"과 한국 공개특허"2001-004129"에 제안되었다.

상기 SLS 기술은 실리콘 결정립이 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 결정립을 소정의 길이만큼 측면성장 시킴으로써 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 것이다.

이러한 SLS기술을 실현하기 위한 SLS 장비는 이하, 도 1에 도시한 바와 같다.

상기 SLS 장비(32)는 레이저 빔(34)을 발생하는 레이저 발생장치(36)와, 상기 레이저 발생장치를 통해 방출된 레이저 빔을 집속시키는 집속렌즈(40)와, 기판(44)에 레이저 빔을 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 증착된 기판(44)이 고정된 x-y스테이지(46)가 위치한다.

이때, 상기 기판(44)의 모든 영역을 결정화하기 위해서는 상기 x-y스테이지(46)를 미소하게 이동하여 줌으로써 결정영역을 확대해 나가는 방법을 사용한다.

전술한 구성에서, 상기 마스크(38)는 상기 레이저 빔을 통과시키는 투과영역(A)과, 레이저 빔을 차단하는 차단영역(B)으로 구분된다.

상기 차단영역(B)의 너비(투과영역 사이의 거리)는 결정립의 측면성장 길이를 결정한다.

전술한 바와 같은 종래의 SLS 결정화 장비를 이용하여 실리콘을 결정화하는 방법을 알아본다.

일반적으로, 결정질 실리콘은 상기 기판에 절연막인 버퍼층(buffer layer)(미도시)을 형성하고, 상기 버퍼층 상부에 비정질 선행 막을 증착 한 후에 이를 이용하여 형성한다. 상기 비정질 선행 막은 일반적으로 화학 기상증착법(CVD)등을 이 용하여 기판에 증착하게 되며, 이는 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, 레이저 빔을 이용한 결정화는 기판(54)의 전 면적을 동시에 결정화 할 수 없다.

왜냐하면, 레이저 빔의 빔폭과 마스크(도 1의 38)의 크기가 제한되어 있기 때문에 대면적으로 갈수록 상기 하나의 마스크(도 1의 38)를 여러번 정렬하고, 그 때마다 결정화 과정을 반복함으로써 결정화가 이루어진다.

이때, 상기 단일 마스크의 축소면적(C)만큼 결정화 된 영역을 한 블록이라 정의하면, 상기 한 블록내의 결정화 또한 다차(多次)의 레이저 빔 조사를 통해 이루어진다.

이하, 도 3은 종래의 제 1 예에 따른 실리콘 결정화에 사용되는 마스크의 구성을 개략적으로 도시한 평면도이다.

도시한 마스크(60)의 구성은, x-방향으로 한번 이동(single scan)하면서 결정화 공정을 진행하여 2샷(2 shot)효과(2번의 샷으로 한 블록의 결정화를 완료하는 것임)를 얻을 수 있는 구성이다.

도시한 바와 같이, 마스크(60)는 투과 영역(슬릿, A)과 차단 영역(B)으로 구성되며, 투과 영역(A)은 가로 방향으로 연장된 스트라이프 형상으로 구성된다.

이때, 상기 투과 영역(A)은 상부와 하부에 일정 간격 이격하여 구성되며, 이격된 영역에 대응하는 일 끝단에 상기 상하에 구성되 투과 영역(A)과 근접하게 또 하나의 투과 영역(A)이 위치하는 형상으로 구성한다.

상기 상/하에 위치한 투과 영역(A)사이의 이격 영역의 길이(d)는 투과 영역(A)의 길이와 비교하여 작고, 상기 세 개의 투과 영역(A)은 폭(W)과 길이(L)가 모두 동일하도록 설계된 것이다.

이때, 상기 투광 영역의 길이(L)는 한번의 레이저 빔 조사에 의해 성장한 결정 길이의 두 배가 되도록 설계된 것이다.

이와 같이 하면, 상기 마스크(M)의 상부로부터 레이저빔을 조사하였을 경우, 멜팅영역에서는 비정질 실리콘층의 양측 계면에서 결정립이 각각 측면 성장하게 되고, 각 측면 성장한 결정립(grain)은 결정립계(grainboundary)가 충돌하면서 성장을 멈추게 되며, 측면 성장한 결정립 사이에 핵생성 영역이 존재하지 않게 된다.

x-방향으로의 싱글 스캔(single scan)을 통해 2샷의 결정화 효과를 얻을 수 있게 된다.

이하, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여, 전술한 도 3의 마스크를 이용한 결정화 방법을 설명한다.

도 4a 내지 도 4c는 종래의 제 1 예에 따른 결정화 공정을 공정 순서에 따라 도시한 공정 평면도이다.

도 4a 내지 도 4c는 실리콘 결정화 공정을 종래의 제 1 예에 따른 공정순서에 따라 도시한 공정 단면도이다.(이하, 공정에서는 마스크와 비정질 선행막 사이에 존재하는 축소렌즈를 생략하고 설명한다.)

먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이, 비정질 실리콘을 증착한 비정질 선행막(72)이 형성된 기판(70)의 상부에 앞서 설명한 도 3의 마스크를 위치시킨다.

상기 마스크의 상부로 1차 레이저 빔을 조사하면, 레이저 빔은 상기 마스크의 투과 영역(A)을 통해 하부의 비정질 선행막(72)에 조사된다.

상기 레이저빔이 조사된 비정질 영역은 순간적으로 완전용융(complete melting)되는 동시에 냉각되는 과정을 겪으면서 용융영역(M)과 비 용융영역(NM)의 양측 경계(74a,74b)에서 각각 결정립(76a,76b)이 성장함으로써 결정화가 진행된다.

이때, 마스크(60)의 투과 영역(A)에 대응하여 결정화된 영역(C1,C2,C3)은 상기 용융영역의 양측 경계면에서 각각 서로 마주 보는 방향으로 성장한 결정립을 포함하는 제 1 영역(G1)과 제 2 영역(G2)으로 구성된다.

또한, 상기 결정화된 영역은 상,하로 이격하여 결정화된 제 1 결정영역(C1)과 제 2 결정영역(C2)과, 상기 제 1 및 제 2 결정영역(C1,C2)의 일 끝단에 근접하여 상기 제 1 및 제 2 결정영역(C1,C2)의 이격 영역에 대응하여 결정화된 제 3 결정영역(C3)으로 구성된다.

이때, 조사된 빔패턴은 상기 각 결정영역(C1,C2)에 속하는 결정립 길이의 두배와 같거나 작은 빔폭으로 조사되므로, 상기 양측 경계(74a,74b)에서 각각 측면으로 자란 결정립(76a,76b)은 중간 영역에서 서로 만나면서 결정성장을 멈추게 된다.

이와 같은 현상으로, 상기 마스크(60)의 투과영역(A)에 대응하는 비정질 영역은 결정영역(C1,C2,C3)이 된다.

이때, 상기 각 결정영역(C1,C2,C3)의 양 끝단은 가운데 영역과는 달리 결정 상태가 불규칙한 불연속 영역(NR)이 존재하게 된다.

이러한 현상은, 상기 투과영역(도 3의 A)의 에지부(edge)(E)를 통과하는 레이저 빔이 간섭 및 산란현상을 겪게되기 때문이며, 이러한 원인으로 빔패턴은 원형 형상으로 비정질 실리콘막을 녹이게 된다.

따라서, 원형으로 완전용융(complete melting)이 일어나고 결정화되기 때문에, 그레인은 상기 원형 형상의 계면으로부터 수직하게 성장하게 되어 빔 패턴의 중앙부와 비교하여 불연속적인 상태로 성장한다.

이때, 상기 제 1 결정영역(C1)과 제 2 결정영역(C2)의 셀로길이는 ㎛단위이지만, 상기 결정영역의 가로길이는 ㎜단위이다.

따라서, 도시한 도면은 이해하기 쉽도록 형태를 간략화 했을 뿐이며, 실제로 상기 제 1 및 제 2 그레인 영역(C1,C2)의 세로길이와 가로길이는 약 1:100*x의 길이 비로 형성된다.

도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 1차 레이저 빔의 조사에 의한 결정화가 완료되면 상기 마스크를 수 mm 단위로 x축으로 이동한다.

이때, 상기 마스크(60)는 투과 영역(A)의 일 끝단이 상기 불연속 영역(NR)을 포함하도록 위치한다.

연속하여, 상기 마스크(60)의 상부로 2차 레이저빔을 조사하여 하부의 비정 질 선행막(72)을 결정화한다.

도 4c에 도시한바와 같이, 상기 2차 레이저빔을 조사하여 결정화를 완료하면, 앞서 형성된 제 3 결정영역에 속하는 제 1 영역(G1)과 제 2 영역(G2)에 속하는 결정이 성장하게 되고, 상기 제 3 결정영역(C3)의 상하로 새로운 결정립으로 구성된 제 4 결정영역(C4)과 제 5 결정영역(C5)이 발생하게 된다.

또한, 상기 제 3 결정영역(C3)의 일 끝단에 연속하여 새로운 제 6 결정영역(C6)이 형성된다.

전술한 공정은 x 방향으로 스캔을 진행할 때 상기 슬릿의 꺽이는 코너에서 빛의 회절 및 간섭 현상이 발생하여 결정이 불연속하게 발생하게 된다.

따라서, 액정패널을 완성한 후 상기 결정이 진행되는 동안 슬릿의 양 끝단에 대응하여 불연속적으로 결정화된 영역은 화질이 흐리게 나타나게 되는데 이를 샷 마크(shot mark)라 한다.

특히, 액정패널의 스위칭 소자 또는 유기전계 발광소자의 스위칭 소자 및 구동소자의 다결정 액티브층을 형성할 때, 전술한 SLS결정화 공정을 기판의 전면에 대해 진행하게 되는데, 전술한 샷 마크에 의해 화질이 불균일해지는 문제가 있다.

특히, 전술한 공정처럼 결정이 세로 방향으로 성장하는 x-겹침 결정화 공정에서 발생하는 샷 마크(shot mark)는 더욱 심각한 문제가 된다.

전술한 샷 마크(shot mark)의 문제는 이하 설명하는 종래의 제 2 예에 따른 2 샷 공정에서도 심각하게 나타난다.

이하, 도 5는 종래의 제 2 예에 따른 실리콘 결정화에 사용되는 마스크의 구 성을 개략적으로 도시한 평면도이다.

도시한 바와 같이, 종래에 따른 마스크(70)는 투과영역(A)과 차단영역(B)을 가로방향의 스트라이프 형태(stripe type)가 되도록 구성하여 결정화 공정을 진행한다.

이때, 상기 투과영역(A)은 이를 통과한 빔 패턴의 세로 길이가 한번의 레이저 조사공정에 의해 성장하는 결정립의 최대성장 길이의 두 배의 길이보다 작은 길이를 가지도록 하고, 상기 차단영역(B)은 상기 투과영역(A)의 세로길이보다 약간 작게 구성되도록 설계한다.

이와 같이 하면, 상기 1차 레이저빔을 조사하였을 경우, 멜팅영역에서는 비정질 실리콘층의 양측 계면에서 결정립이 각각 측면 성장하게 되고, 각 측면 성장한 결정립은 결정립계가 충돌하면서 성장을 멈추게 된다.

만약, 상기 차단영역(B)의 세로 길이가 성장한 결정립 길이의 두 배 보다 크다면, 미세한 결정립이 생성되는 영역이 존재하기 때문이다.

이러한 영역이 존재하게 되면, y방향으로의 결정화 공정시, 레이저 빔 패턴이 상기 미세 결정립이 생성된 영역을 포함한 결정화된 영역의 상당부분에 겹쳐 조사되어야 하기 때문에 원하는 결정영역을 얻기 위해 상당한 공정시간을 소요하게 되는 단점이 있다.

앞서 언급한 결정화 공정 중, 상기 마스크(80)를 통과하여 상기 축소렌즈(도 1의 42)에 의해 축소된 빔 패턴은 x축으로 움직이며 결정화를 진행한다. 이때 상기 이동경로는 상기 마스크(80)의 가로방향의 길이만큼 즉, 상기 렌즈에 의해 축소된 패턴의 가로 길이 만큼 ㎜단위로 이동하며 결정화 공정을 진행한다.

따라서, 상기 마스크 또는 x-y스테이지의 x 방향으로의 움직임의 범위가 커서 결정화 속도가 빠른 특징이 있다.

이하, 도 6a 내지 도 6g를 참조하여, 종래에 따른 결정화 방법을 상세히 설명한다.

도 6a 내지 도 6g는 실리콘 결정화 공정을 종래의 공정순서에 따라 도시한 공정 단면도이다.(이하, 공정에서는 마스크와 비정질 선행막 사이에 존재하는 축소렌즈를 생략하고 설명한다.)

먼저, 도 6a에 도시한 바와 같이, 비정질 실리콘을 증착하여 형성한 비정질 선행막(92)이 형성된 기판(90)의 상부에 앞서 설명한 도 5의 마스크(80)를 위치시킨다.

상기 마스크(80)의 상부로 1차 레이저 빔을 조사하면, 레이저 빔은 상기 마스크의 투과 영역(A)을 통해 하부의 비정질 선행막(92)에 조사된다.

상기 레이저 빔이 조사된 비정질 영역은 순간적으로 완전용융(complete melting)되는 동시에 냉각되는 과정을 겪으면서 용융영역(M)과 비 용융영역(NM)의 양측 경계(94a,94b)에서 각각 결정립(96a,96b)이 성장하게 되어 제 1 결정영역(G1)과 제 2 결정영역(G2)으로 결정화 된다.

이때, 조사된 빔패턴은 상기 각 결정영역(G1,G2)에 속하는 결정립 길이의 두배와 같거나 작은 빔폭으로 조사되므로, 상기 양측 경계(94a,94b)에서 각각 측면으로 자란 결정립(96a,96b)은 중간 영역에서 서로 만나면서 결정성장을 멈추게 된다.

이와 같은 현상으로, 상기 마스크(80)의 투과영역(A)에 대응하는 비정질 영역은 결정영역(G1,G2)이 된다.

이때, 상기 결정영역(G1,G2)의 양 끝단은 가운데 영역과는 달리 결정 상태가 불규칙한 불연속 영역(NR)이 존재하게 된다.

이러한 현상은, 상기 투과영역(A)의 에지부(edge)(E)를 통과하는 레이저 빔이 간섭 및 산란현상을 겪게되기 때문이며, 이러한 원인으로 빔패턴은 원형 형상으로 비정질 실리콘막을 녹이게 된다.

따라서, 원형으로 완전용융(complete melting)이 일어나고 결정화되기 때문에, 그레인은 상기 원형 형상의 계면으로부터 수직하게 성장하게 되어 빔 패턴의 중앙부와 비교하여 불연속적인 상태로 성장한다.

이때, 상기 제 1 결정영역(G1)과 제 2 결정영역(G2)의 셀로길이는 ㎛단위이지만, 상기 결정영역의 가로길이는 ㎜단위이다.

따라서, 도시한 도면은 이해하기 쉽도록 형태를 간략화 했을 뿐이며, 실제로 상기 제 1 및 제 2 그레인 영역(G1,G2)의 세로길이와 가로길이는 약 1:100*α의 길이 비로 형성된다.

도 6b에 도시한 바와 같이, 상기 1차 레이저 빔의 조사에 의한 결정화가 완료되면 상기 마스크를 수 mm 단위로 x축으로 이동한다.

이때, 상기 마스크(80)는 투과영역(A)의 일 끝단이 상기 불연속 영역(NR)을 포함하도록 위치한다.

연속하여, 상기 마스크(80)의 상부로 2차 레이저빔을 조사하여 하부의 비정 질 선행막(92)을 결정화한다.

도 6c에 도시한 바와 같이, 상기 2차 레이저 빔 조사에 의해 앞서 결정화된 영역(이하, "제 1 영역"이라 칭함)(H1)에 연속하여 x축 방향으로 또 다른 결정영역(이하, "제 2 영역" 이라 칭함)(H2)이 발생하게 된다. 이때, 제 2 영역(H2)또한 일 끝단과 타 끝단에 대응하여 새로운 불연속 영역(NR2)을 포함한다.

즉, 상기 제 1 영역(H1)의 불연속 영역(도 6a의 NR)은 2차 레이저 빔 조사에 의해 재결정화 되나, 이 부분은 여전히 마스크에 구성된 투과영역(도 5의 A)의 끝단에 대응하는 부분이므로 여전히 결정형상이 불규칙적으로 형성되는 불연속 영역(NR2)이 된다. 이때, 상기 재 결정화된 불연속 영역(NR2)은 결정의 방향성이 이전과는 반대방향으로 이루어 진다.

도 6d에 도시한 바와 같이, x 방향으로의 결정화(H1,H2,,,)가 완료되면 상기 마스크(도 5의 80)에 구성된 투과 영역(A)의 숫자만큼 상기 비정질 선행막의 상부에는 가로 방향으로 결정화된 영역(I,J,K)이 상하 방향으로 이격하여 형성된다.

이때, 상기 결정 영역(I,J,K)은 가로 방향으로 규칙적으로 발생한 불연속 영역(NR2,NR3...)을 포함하게 된다.

도 6e에 도시한 바와 같이, 상기 x방향으로의 결정화가 완료되면, 상기 마스크를 -y방향으로 이동한다.

이때, 상기 마스크(80)가 움직일 경우에는 -y축으로, 상기 x-y스테이지가 움직일 경우에는 y축으로 미소하게 이동한다.

상기 마스크(80)의 상부로 n차의 레이저빔을 조사하여, 상기 마스크(80)의 투과 영역(A)에 대응하는 비정질 실리콘막(92)을 결정화하는 공정을 진행한다.

이때, 상기 투과 영역(A)은 비정질 실리콘막과, 비정질 선행막을 중심으로 상,하에 형성된 결정영역(I/J,J/K)의 일부를 포함하여 위치한다.

상기 마스크(80)의 상부로 n차의 레이저빔을 조사하게 되며, 상기 투과 영역(A)에 대응하는 비정질 선행막(A)과 일부 결정영역이 용융되고 냉각되면서 결정화 되는 공정이 진행된다.

도 6f에 도시한 바와 같이, 상.하의 결정영역(I,J,K)의 제 2 그레인 영역(G2)과 제 1 그레인 영역(G1)에 위치하는 각 그레인들이 상.하로 성장하게 되고 상기 용융된 비정질 선행막의 중심영역(L)에서 서로 만나면서 결정성장이 멈추게 된다. 이러한 결과 결정립의 길이는 성장하게 된다.

전술한 바와 같은 결정화 공정을 완료하게 되면, 도 6g에 도시한 바와 같이,

비정질 선행막은 모두 다결정 실리콘막(98)으로 결정화 된다.

그런데, 전술한 공정으로 결정화가 완료된 영역을 살펴보면 가로방향으로 이격하여 존재하는 불연속영역(NR,NR2,,,,)은 결정화가 진행될수록 세로 방향으로 진행되고 있음을 알 수 있다.

전술한 바와 같이 구성된 불연속 영역(NR2,NR3,,,)이 스위칭 소자 또는 구동 소자의 채널(소스 및 드레인 전극 사이에 해당하는 액티브층)로 형성될 경우, 결정상태의 불균일에 의해 캐리어의 이동도를 낮출 뿐 아니라 누설전류 특성과 같은 불량에 의해 액정패널의 동작저하를 유발하게 된다.

또한, 종래의 제 1 예에서 언급한 바와 같이 화면에 나타나는 샷마크에 의해 화질이 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 실리콘 결정화 방법은, 연속 측면성장 결정화용 마스크의 투과영역을 새로운 구조로 설계하여, x-방향( 및 y방향)으로 결정화가 진행되는 동안 마스크의 투과영역이 겹치는 영역이 발생하여도 상기 겹치는 부분에서 결정이 불연속하게 발생하는 것을 방지함으로써, 종래의 샷 마크에 의한 화질 저하 및 소자의 동작저하를 방지하는 것을 목적으로 한다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 연속 측면성장 결정화 방법은 기판 상에 비정질 실리콘막을 형성하는 단계와; 상기 기판을 연속측면 성장 결정화 장비의 x-y스테이지에 고정하는 단계와; 상기 비정질 실리콘막이 형성된 기판 상에, 세로 방향으로 길게 구성된 다수의 슬릿이 소정간격 이격되어 구성된 마스크를 위치시키는 단계와; (가)상기 마스크의 상부로 레이저빔을 조사하여, 상기 슬릿에 대응하는 비정질 실리콘막을 결정화하는 단계와; (나)상기 x-y스테이지를 -x 방향으로 n(K1+K2)만큼 이동한 후, 레이저빔을 조사하여 상기 마스크의 슬릿에 대응하는 비정질막을 결정화하는 단계와; (다)상기 (나)단계를 반복하여 x 방향으로의 결정화를 완료하는 단계와; (라)상기 x-y스테이지를 (K1+K2)/2의 길이만큼 x방향으로 이동하고 레이저빔을 조사하여 결정화를 진행하는 단계와; (마)상기 (라)단계의 결정화 후 상기 x-y스테이지를 x방향으로 n(K1+K2)만큼 이동한 후 레이저빔을 조사하여, 상기 (가)~(다)단계를 통해 이미 결정화된 영역의 결정이 연속 성장하도록 결정화를 진행하는 단계와; 상기 (마)단계의 결정화 공정을 x방향으로 진행하여 임의의 영역에 대한 결정화를 완료하는 단계를 포함한다.

상기 마스크의 슬릿에 대응하여 결정화된 영역은 결정립이 서로 마주보며 각각 측면 성장한 제 1 영역과 제 2 영역으로 구성되고 일반적으로 , n차 레이저 빔 조사시에 결정화된 영역 중, n+1 차 레이저 빔이 조사되는 영역에 포함되는 각 결정영역의 제 1 영역과 제 2 영역의 결정립은 상기 n+1차 레이저빔 조사로 결정립이 측면 성장된다.

상기 슬릿은 레이저빔을 투과시키는 부분인 것을 특징으로 하며, 상기 마스크는 슬릿의 폭(K1)과 슬릿 사이의 간격(K2)이 K1> K2로 구성된다.

상기 연속측면 성장 결정화 장비는 레이저 빔을 생성하는 레이저 빔 발생장치와; 상기 레이저빔을 집속하는 집속렌즈와; 상기 집속 렌즈와 마스크를 사이에 두고 구성된 축소 렌즈와; 상기 축소렌즈를 통과한 레이저 빔이 조사되는 기판을 고정하고, 상기 기판을 x 방향 및 y 방향으로 이동하는 x-y 스테이지와; 상기 레이저빔 발생장치에 부착되어 상기 x-y 스테이지가 (K1+K2)/2 만큼 이동하는 동안 레이저 빔이 발진되는 트리거링(triggering) 시간을 지연하도록 프로그램된 제어장치를 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 SLS 결정화방법을 아래의 실 시예를 통해 상세히 설명한다.

-- 실시예 --

본 발명의 실시예는 마스크를 설계할 때, 슬릿(slit)의 폭이 레이저빔의 스캔방향(scan direction)과 평행하고, 슬릿의 길이는 레이저빔의 스캔방향으로 수직하게 구성하고, 결정화 공정이 진행되는 동안 마스크의 폭 만큼 이동하면서 결정화를 진행한 후 다시 역으로 이동하여 결정화를 완료하는 것을 특징으로 한다.

도 7은 본 발명에 따른 연속 측면성장 결정화용 마스크의 구성을 도시한 평면도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 연속 측면성장 결정화용 마스크(100)는 결정립이 성장하는 방향(수평방향)에 해당하는 슬릿(S)의 폭(K1)을 1차 레이저 빔 조사로 결정화되는 결정립 길이의 두배 보다 작거나 같은 길이로 구성하고, 슬릿(S)의 길이(L)는 y방향(결정립의 성장방향과 수직인 방향)으로 길게 구성하는 것을 특징으로 한다.

(이때, 상기 슬릿의 폭을 정확히 묘사하면, 상기 슬릿을 통과한 레이저빔이 축소렌즈에 축소되어 비정질막에 조사될 때의 레이저빔 폭이 결정립계 길이의 두배

보다 크거나 같도록 하는 폭을 말한다.)

전술한 바와 같은 슬릿(S)을 마스크(100)에 구성할 때, 슬릿(S)사이의 이격영역(차단 영역,D)의 폭(K2)이 상기 슬릿의 폭(K1)과 비교하여 "K1 > K2"가 되도록 구성한다.

전술한 바와 같이 구성된 마스크(100)를 이용하여 결정화를 진행할 때, 상기 마스크(100)의 폭 만큼 이동하면서 결정화를 진행한다

이때, 마스크의 폭이란, 마스크에 n개의 슬릿이 구성되었다고 가정하였을 경우 n(K1+K2)의 길이를 의미하는 것이며, n(K1+K2)길이 만큼 x-y 스테이지를 -x 방향으로 이동하면서 결정화를 진행하고, 기판을 기준으로 x 방향(x-y 스테이지는 -x방향)으로의 결정화가 완료되면 그 위치에서 x-y 스테이지를 x 방향으로 (K1+K2)/2 만큼 이동한 후, 다시 기판을 기준으로 -x 방향으로 마스크의 길이(n(K1+K2))만큼 이동하면서 레이저빔을 조사하여 결정화를 진행한다.

이와 같이 하면, 임의의 결정영역이 2샷의 레이저빔 조사로 결정화가 완료되는 샘이 된다.

전술한 공정화 과정에서, 일 방향으로 결정화가 완료된 후 다시 역방향으로 결정화를 진행하기 전 x-y 스테이지를 (K1+K2)/2 만큼 이동한 후 결정화를 진행한다고 언급한 바 있다.

그런데, 이를 위해서는 종래의 방식대로 레이저빔을 조사하는 방식에서 레이저빔의 트리거링 타임을 늦출 필요가 있다.

즉, x-y스테이지가 K1+K2/2만큼 이동한 후, 레이저빔이 트리거링 되도록 트리거링 타임을 늦출 필요가 있다.

이를 위해, 본 발명에서는 레이저빔의 동기화를 늦추는 트리거링 딜레이(triggering delay) 개념을 도입하여 레이저빔이 트리거링(triggering) 되는 시간을 늦춰 일정시간 후 레이저빔이 발진되도록 한다. 이는 소프트 웨어적으로 쉽 게 수정이 가능하기 때문에 충분히 실시 가능한 개념이다.

이때, 전술한 트리거링 개념으로 동작하는 제어장치와 이를 포함하는 SLS 장비의 동작을 이하, 도 8을 참조하여 설명한다.

도 8은 제어장치를 포함하는 SLS 장비의 동작을 개략적으로 도시한 도면이다. (SLS 장비를 도 1에서 자세히 설명하였으로 일부 구성은 생략한다.)

도시한 바와 같이, SLS 장비중 레이저 빔 발생장치와 x-y 스테이지 사이에 제어장치(컴퓨터)를 구성한다.

상기 제어장치는 상기 x-y스테이지 정보와 동기화되어 x-y 스테이지가 원하는 위치에 올 때, 고전압 신호를 인가하여 상기 레이저 빔 발생장치로부터 레이저빔이 발진되도록 한다. 기체를 사용하는 레이저의 경우 고전압(High voltage, HV)을 가하여 반응기체를 여기시켜야 하는데, 레이저 트리거링은 이러한 고전압 신호를 레이저 기체에 인가하여 레이저를 발진시키도록 하는 것이다.

이때, 상기 제어장치를 통해, 기존의 트리거(trigger)신호를 주는 시간보다 nano sec triggering 신호(HV 신호)를 늦게 주어서 레이저가 발진되도록 한다

이와 같이 하면, 상기 역방향의 결정화를 진행하기 위해 상기 x-y 스테이지를 (K1+K2)/2 만큼 이동하는 동안 레이저빔이 발진되지 않도록 할 수 있다.

이하, 전술한 제어장치를 포함한 SLS 장비와 본 발명에 따른 마스크를 이용한 결정화 공정을 이하, 도 9a 내지 도 9c를 참조하여 설명한다.

도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 따른 마스크를 이용한 연속측면 성장 결정화 방법을 공정 순서에 따라 도시한 공정 평면도이다.

(이하, 도시한 마스크의 형상은 축소렌즈의 배율만큼 축소된 것이며, 슬릿은 곧 레이저빔이라 생각하면 된다.)

도 9a에 도시한 바와 같이, 비정질막이 형성된 기판(200)을 앞서 도 1에서 설명한 x-y 스테이지에 고정하고, 전술한 본 발명에 따른 마스크(도 7의100)를 축소렌즈를 사이에 두고 기판(200)상에 위치시킨다.

다음으로, 상기 마스크(도 7의 100)의 상부로 레이저빔을 조사하면, 상기 마스크(도 7의 100)의 슬릿(도 7의 S)을 통해 막대형상으로 성형된 레이저빔이 축소렌즈에 의해 일정배율로 축소되어 비정질 막에 조사된다.

이때, 상기 레이저빔은 완전용융 에너지대 이상의 에너지를 가지고 조사되며 따라서, 레이저빔이 조사된 영역은 완전 용융된 후 결정화된다.

이와 같이 결정화된 결정영역(C1,C2,C3.. )은 마스크(100)의 각 슬릿의 개수만큼 발생하게 되며, 각 결정영역(C1,C2,C3)은 서로 마주보는 방향으로 측면 성장한 결정립으로 구성된 제 1 결정영역(G1)과 제 2 결정영역(G2)으로 형성된다.

이때, 전술한 각 결정영역(C1,C2,C4)은 결정립(204a,204b)의 성장방향인 x- 방향으로는 결정립의 불연속적인 성장이 발생하지 않는다.

도 5b에 도시한 바와 같이, 1차 레이저빔의 조사에 의한 결정화가 완료된 후, x-y 스테이지를 -x방향으로 이동하는데 이때 이동거리는 앞서 설명한 바와 같이, 마스크(도 3의 100)의 폭만큼 즉, 마스크에 설계된 슬릿(도 3의 S)의 개수가 n개이고 슬릿의 폭이 K1이고 슬릿 사이의 차단영역의 폭이 K2 일 때, n(K1+K2)만큼 이동하면서 결정화를 진행한다.

도 5c에 도시한 바와 같이, x 방향으로의 레이저빔의 스캔에 의한 결정화가 완료되면, 다시 x-y 스테이지를 y 방향으로 움직이지 않고, x 방향으로 (K1+K2)/2 움직인다.

즉, 마지막으로 결정화된 영역(C1,C2......C_n)에서 상기 마스크가 (K1+K2)/2 움직여 기판(200)의 상부에 대응된다.

이러한 경우, 상기 마스크의 슬릿(S)은 이미 결정화된 결정 영역의 사이영역(N)사이에 위치하게 된다.

이때, 상기 x-y 스테이지를 (K1+K2)/2 만큼 움직이는 동안, x-y 스테이지의 신호에 따라 제어장치는 상기 레이저 빔 발생장치 신호를 출력하여 레이저빔이 발진되지 않도록 한다. 즉, 레이저 빔 발진을 위한 트리거링 시간을 늦춘다.

다음으로, 상기 스테이지의 이동이 멈추게 되면 상기 제어장치는 상기 레이저 빔 발생장치에 신호를 출력하여 레이저 빔이 발진되도록 한다.

따라서, 도 5d에 도시한 바와 같이, x 방향으로의 결정화가 완료된후 마스크를 (K1+K2)/2 만큼 이동한 후 1차 레이저빔을 조사하여 결정화를 진행한 후에는 다시 상기 마스크의 크기만큼 즉, n(K1+K2)만큼 x-y 스테이를 x 방향으로 움직이면서 결정화를 진행한다.

따라서, x 방향과 -x 방향으로 결정화를 진행함으로써 2샷의 레이저빔 조사를 통해 일정영역의 결정화가 완료되는 결과를 얻을 수 있다.

전술한 바와 같이, 슬릿의 길이가 세로축으로 길게 마스크를 설계하게 되면 결정성장방향인 x 방향으로 빛의 회절이 발생하지 않는다.

따라서, 본 발명에 따른 연속측면 성장 결정화 공정용 마스크를 이용하여 결정화된 결정층은 내부에 x 방향으로 결정의 불연속 영역이 발생하지 않기 때문에 화질 흐림과 같은 불량이 발생하지 않아 고화질을 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 불연속 영역을 스위칭 소자의 액티브층으로 사용하였을 경우 발생하는 스위칭 소자의 동작 불량을 방지할 수 있으므로, 제품수율을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 기판 상에 비정질 실리콘막을 형성하는 단계와;

   상기 기판을 연속측면 성장 결정화 장비의 x-y스테이지에 고정하는 단계와;

   상기 비정질 실리콘막이 형성된 기판 상에, 세로 방향으로 길게 구성된 다수의 슬릿이 소정간격 이격되어 구성된 마스크를 위치시키는 단계와;

   (가)상기 마스크의 상부로 레이저빔을 조사하여, 상기 슬릿에 대응하는 비정질 실리콘막을 결정화하는 단계와;

   (나)상기 x-y스테이지를 -x 방향으로 n(K1+K2)만큼 이동한 후, 레이저빔을 조사하여 상기 마스크의 슬릿에 대응하는 비정질막을 결정화하는 단계와;

   (다)상기 (나)단계를 반복하여 x 방향으로의 결정화를 완료하는 단계와;

   (라)상기 x-y스테이지를 (K1+K2)/2의 길이만큼 x방향으로 이동하고 레이저빔을 조사하여 결정화를 진행하는 단계와;

   (마)상기 (라)단계의 결정화 후 상기 x-y스테이지를 x방향으로 n(K1+K2)만큼 이동한 후 레이저빔을 조사하여, 상기 (가)~(다)단계를 통해 이미 결정화된 영역의 결정이 연속 성장하도록 결정화를 진행하는 단계와;

   상기 (마)단계의 결정화 공정을 x방향으로 진행하여 임의의 영역에 대한 결정화를 완료하는 단계

   를 포함하는 연속측면 성장 결정화 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 비정질막을 결정화하는 단계는, 상기 마스크의 슬릿에 레이저 빔을 조사하면, 슬릿에 대응하는 비정질막은 용융되고 결정화 되어, 서로 마주보며 각각 측면 성장하는 단계를 포함하는 연속측면 성장 결정화 방법.
3. 제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 X-방향으로의 결정화를 완료하는 단계는, 레이저빔을 n차 조사하여 결정화된 결정립 중, n+1차 레이저빔이 겹쳐 조사되는 결정립은, 상기 n+1차 레이저빔에 의해 일부가 용융되고 제 결정화되면서 측면 성장하는 단계를 포함하는 연속측면 성장 결정화 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 슬릿은 레이저빔을 투과시키는 부분인 것을 특징으로 하는 연속 측면 성장 결정화 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 마스크는 슬릿의 폭(K1)과 슬릿 사이의 간격(K2)이 K1> K2로 구성된 연속측면 성장 결정화 방법.
6. 레이저 빔을 생성하는 레이저 빔 발생장치와; 상기 레이저빔을 집속하는 집속렌즈와; 상기 집속 렌즈와 마스크를 사이에 두고 구성된 축소 렌즈와; 상기 축소렌즈를 통과한 레이저 빔이 조사되는 기판을 고정하고, 상기 기판을 x 방향 및 y 방향으로 이동하는 x-y 스테이지와;

   상기 레이저빔 발생장치에 부착되어 상기 x-y 스테이지가 (K1+K2)/2 만큼 이동하는 동안 레이저 빔이 발진되는 트리거링(triggering) 시간을 지연하도록 프로그램된 제어장치

   를 포함하는 연속측면 성장 결정화 장비.

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