KR100840015B1 - 비정질 실리콘 결정화를 위한 열처리 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 LCD 등의 평판 디스플레이에 사용되는 TFT용 다결정 실리콘 박막 제조시 비정질 실리콘 박막을 결정화시키기 위한 열처리 시스템이 제공된다. 특히 본 발명에 따른 열처리 시스템은 별도의 기판 냉각부를 구비함으로써 결정화 열처리 후의 기판 냉각 속도를 빠르게 하여 평판 디스플레이의 생산성을 크게 향상시킨다.
LCD, TFT, 비정질 실리콘, 결정화, 냉각부
Description
도 1은 본 발명에 따른 비정질 실리콘 결정화 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면.
도 2는 도 1의 비정질 실리콘 결정화 시스템의 기판 냉각부의 구성을 나타내는 도면.
도 3은 도 2의 기판 냉각부에서 기판 냉각시 기판의 상태를 나타내는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10: 비정질 실리콘 결정화 시스템 20: 기판 열처리부
30: 기판 냉각부 31: 기본 프레임
32: 냉각 팬 33: 기판 트레이
34: 기판 홀더 지지대 35: 핀
36: 기판 홀더 37: 기판
40: 기판 저장부
본 발명은 평판 디스플레이의 구동 소자인 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT) 제조시 적용되는 비정질 실리콘 박막의 결정화 열처리 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 결정화 열처리 후 기판의 냉각 속도를 빠르게 하여 평판 디스플레이의 생산성을 향상시킬 수 있는 비정질 실리콘 박막의 결정화 열처리 시스템에 관한 것이다.
TFT는 크게 비정질 실리콘 TFT와 다결정 실리콘 TFT로 구분된다. TFT의 특성은 전자 이동도의 값으로 평가하는데, 비정질 실리콘 TFT의 전자 이동도는 대략 1cm2/Vs이고 다결정 실리콘 TFT의 전자 이동도는 대략 100cm2/Vs 정도가 되므로, 고성능의 평판 디스플레이 제조를 위해서는 다결정 실리콘 TFT를 채용하는 것이 바람직하다. 다결정 실리콘 TFT는 유리 또는 석영 등의 투명 기판에 비정질 실리콘을 증착하고 다결정화시킨 뒤, 게이트 산화막 및 게이트 전극을 형성하고 소스 및 드레인에 도펀트를 주입한 후 절연층을 형성하여 구성된다.
다결정 실리콘 TFT 제조시 주요 관건은 비정질 실리콘 박막을 다결정화시키는 공정이다. 특히 결정화 온도를 낮추는 것이 바람직한데, 결정화 온도가 너무 높으면 TFT 제조시 용융점이 낮은 유리 기판을 사용할 수가 없어서 TFT 제조 단가가 너무 상승하는 문제점이 있다. 이와 같은 유리 기판 사용 가능성을 고려하여, 최근 저온에서 이른 시간 내에 다결정 실리콘 박막을 형성하는 다양한 공정들이 제안되어 왔다.
이 중에서 금속유도 결정화(Metal Induced Crystallization; MIC)법 또는 금 속유도 측면 결정화(Metal Induced Lateral Crystallization: MILC)법은 Ni, Cu, Al 등의 금속 촉매를 이용하여 비정질 실리콘의 결정화를 유도하는 방법으로서 저온 결정화가 가능하다는 장점으로 인하여 LCD 등에 많이 사용되고 있다.
MIC법 또는 MILC법은 크게 금속 촉매를 도포하는 공정과 금속 촉매가 도포된 비정질 실리콘을 결정화 열처리하는 공정으로 나눌 수 있다. 이 두 가지 공정 사이에는 공정 시간에 있어서 차이가 있는데, 일반적으로 열처리 공정에 걸리는 시간이 더 크다. 특히, MIC법 또는 MILC법은 금속 오염으로 인한 누설 전류의 문제점을 기본적으로 가지고 있어서 금속 촉매의 도포 양을 가능한 작게 할 필요가 있기 때문에 공정 시간이 더욱 작아지게 된다. 이와 같은 두 공정의 공정 시간의 차이는 생산성 관점에서 보았을 때 바람직하지 못한 결과를 가져온다. 즉, 결정화 열처리 공정의 상대적으로 긴 공정 시간으로 인하여 전체적인 LCD 제조에 걸리는 시간이 증가함으로써 처리량(throughput)이 저하된다는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 결정화 열처리 후 기판의 냉각 속도를 빠르게 하여 평판 디스플레이의 생산성을 향상시킬 수 있는 비정질 실리콘 박막의 결정화 열처리 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 비정질 실리콘이 형성된 기판을 열처리하는 시스템은 상기 비정질 실리콘이 형성된 기판을 저장하는 기판 저 장부, 상기 비정질 실리콘이 형성된 기판을 열처리하는 기판 열처리부 및 상기 기판 가열부에서 보다 더 빠른 속도로 상기 비정질 실리콘이 형성된 기판을 냉각하는 기판 냉각부를 포함한다.
상기 기판은 유리, 석영과 같은 투명 기판일 수 있다.
상기 기판은 두 개 이상일 수 있다.
상기 기판은 기판 홀더 상에 장착된 상태로 상기 기판 열처리부에 로딩 또는 언로딩될 수 있다.
상기 기판 열처리부에서 열처리 온도는 400 내지 750℃, 열처리 시간은 5분 내지 10 시간, 열처리 분위기는 Ar, Ne, He, N2와 같은 불활성 가스 분위기, O2, N2O, H2O, 오존과 같은 산화성 가스 분위기 및 H2, NH3와 같은 환원성 가스 분위기 중 적어도 하나로 제어될 수 있다.
상기 기판 냉각부를 구성하는 기본 프레임에는 냉각수가 유입될 수 있다.
상기 기판 냉각부는 냉각팬 유닛을 포함할 수 있다.
상기 기판 냉각부에서 상기 기판은 기판 홀더와 분리된 상태에서 냉각될 수 있다.
상기 냉각팬 유닛은 공기 중에 포함된 파티클 제거용 필터를 포함할 수 있다.
이하 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 비정질 실리콘 결정화 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다. 본 발명의 비정질 실리콘 결정화 시스템(10)은 기판 열처리부(20), 기판 냉각부(30) 및 기판 저장부(40)로 구성되어 있다.
기판 열처리부(20)는 비정질 실리콘을 결정화시키기 위하여 비정질 실리콘이 형성된 기판을 열처리시키는 파트로서, 히터(미도시)를 포함하는 열처리 로(furnace)에 해당한다.
기판은 유리 및 석영과 같은 투명 기판인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 반도체 소자 제조 공정에 사용되는 경우에는 상기 기판은 실리콘 웨이퍼 등과 같은 반도체 웨이퍼일 수 있다.
MIC법이나 MILC법으로 다결정 실리콘을 제조하는 경우에는 기판 열처리부에서 금속 촉매가 도포된 비정질 실리콘이 열처리된다. 고상 반응법으로 다결정 실리콘을 제조하는 경우에는 순수한 비정질 실리콘이 열처리된다. 본 발명에 따른 시스템은 MIC법, MILC법, 고상 반응법 등에 의한 다결정 실리콘 제조시에 모두 적용될 수 있다. 다만 이하에서는 MIC법이나 MILC법을 예로 들어 설명하기로 한다.
기판 열처리부(20)는 MIC법이나 MILC법에 의해 다결정 실리콘을 제조할 때의 열처리 조건에 맞도록 구성된다. 이를 위하여 기판 열처리부(20)는 열처리 온도, 열처리 시간 및 열처리 분위기 등이 적절하게 조절될 수 있도록 구성된다. 따라서, 열처리 온도는 400 내지 750℃, 열처리 시간은 5분 내지 10 시간, 열처리 분위기는 Ar, Ne, He, N2와 같은 불활성 가스 분위기, O2, N2O, H2O, 오존과 같은 산화성 가스 분위기 및 H2, NH3와 같은 환원성 가스 분위기 중 적어도 하나로 제어될 수 있도록 기판 열처리부(20)를 구성하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 기판 열처리부(20)는 복수개의 기판을 동시에 처리할 수 있는 배치식으로 되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 한번에 한개의 기판을 처리하는 매엽식으로도 구성될 수 있다. 배치식은 매엽식에 비하여 생산성이 현저히 높아진다는 장점이 있으나, 복수개의 기판을 기판 열처리부(20)로 적절하게 이송하여 로딩시킬 수 있는 기판 이송 수단(미도시) 및 기판 로딩 수단(미도시)을 고려하여야 한다. 즉, 배치식이 매엽식에 비하여 기판 이송 수단 및 기판 로딩 수단이 훨씬 복잡하다.
복수개의 기판은 열처리를 위하여 기판 홀더에 장착된 채로 기판 열처리부(20)에 장입된다. 기판이 기판 홀더에 장착되어 장입되는 이유는 열처리 과정 중에 기판의 변형을 방지하기 위함이다. LCD 등의 평판 디스플레이가 대면적화됨에 따라 기판 면적 역시 커지고 있으며, 기판을 기판 홀더로 적절하게 지지하여 주지 않으면 열처리 과정에서 기판의 휨 현상 등이 나타난다. 따라서, 기판을 기판 홀더로 지지한 상태에서 열처리를 진행하는 것이 바람직하며, 기판의 전면을 기판 홀더로 완전하게 지지한 상태에서 열처리를 진행하는 것이 더 바람직하다. 기판 및 기판 홀더와 관련해서는 도 3을 참조하여 더 상세하게 설명한다.
기판 냉각부(30)는 기판 열처리부(20)에서 열처리 과정이 완료된 다결정 실리콘이 형성된 기판을 냉각하는 파트로서, 본 발명의 특징적 구성에 해당한다.
종래에는 비정질 실리콘의 결정화가 완료되면 히터 전원이 차단된 기판 열처리부 내에 기판을 그대로 방치하여 기판을 냉각시키거나, 기판 열처리부에서 기판을 꺼내어 대기 중에 방치하여 냉각시키는 방식을 사용하였다. 그러나, 상술한 바와 같이, 이러한 기판 냉각 방식은 냉각 시간이 많이 소요되어 전체적인 생산성을 저하시키는 문제점이 있다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명에 따른 시스템은 기판 열처리부(20)와는 별도의 기판 냉각부(30)를 구비하여 기판의 냉각 속도를 종래 방식보다 빠르게 하는 것을 특징으로 한다.
도 3은 이러한 기판 냉각부(30)의 전체적인 구성을 나타내는 도면이다.
기판 냉각부(30)는 기본적으로 프레임(31)으로 구성된 구조체이다. 프레임(31) 내부에는 기판의 신속한 냉각을 위하여 냉각수가 흐르도록 되어 있다(미도시). 또한, 프레임(31) 상에는 냉각팬(32)이 장착되어 있다. 즉, 본 발명의 기판 냉각부(31)는 수냉식과 공냉식을 혼합하여 기판을 냉각하는 방식을 채택하였다.
다결정 실리콘이 형성된 기판은 열처리가 완료되는 대로 기판 열처리부(20)로부터 기판 냉각부(30)로 이송되어 기판 냉각부(30)의 프레임(31) 상에 배치된다. 프레임(31) 상에 배치된 기판은 프레임(31) 내부를 흐르는 냉각수와 냉각팬(32)으로부터 방출되는 찬 공기에 의하여 냉각되어 이른 시간(예를 들어, 10분 이내) 내에 상온에 도달한다. 본 발명에서는 수냉식과 공냉식을 혼합한 방식을 사용하기 때문에 기판의 냉각 효율이 향상될 수 있다.
본 발명에서 냉각팬은 FFU(fan filter unit)를 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 FFU는 클린룸 천정에 설치하여 아래쪽 방향으로 라미나 플로우(laminar flow)를 형성함으로써 클린룸 환경을 조성하는 역할을 한다. 이때 FFU는 공기 중에 포함된 파티클을 필터를 통해 걸러주고 팬으로 공기를 불어낸다. 따라서, FFU는 기판에 찬 공기를 불어 주면서 기판의 파티클 오염을 방지할 수 있다. 아울러, FFU를 통해 기판에 찬 공기를 불어 넣을 때 복수개의 기판 사이 사이로 찬 공기가 원활하게 통과되도록 기판에 수평 방향으로 공기를 불어 넣는 것이 바람직하다.
본 발명에서 복수개의 기판은 기판 냉각부(30)의 기판 트레이(33)에 장착된 채로 냉각된다. 또한, 본 발명에서 기판은 기판 홀더와 분리된 상태에서 냉각된다.
도 3은 기판 냉각부(30)의 기판 트레이(33)에서 기판 냉각시 기판의 상태를 나타내는 도면이다. 기판 트레이(33)는 기판 홀더 지지대(34)와 핀(35)으로 구성된다.
열처리 후 기판 열처리부(30)로부터 기판 냉각부(30)로 기판이 이송되어 냉각되는 과정은 다음과 같다. 기판 열처리부(30)에서 열처리가 끝난 기판(37)은 기판 홀더(36)에 장착된 채로 기판 트레이(33)로 이송된다. 이송 수단은 기판 로봇과 같은 수단(미도시)을 이용한다. 기판 홀더(36)에는 기판 트레이(33)의 핀(35)이 관통할 수 있는 구멍이 형성되어 있다. 기판 로봇은 기판(37)이 장착된 기판 홀더(36)를 기판 트레이(33)까지 들고 와서 기판 홀더(36)를 기판 홀더 지지대(34)에 내려놓는다. 이 과정에서 기판 트레이(33)의 핀(35)이 기판 홀더(36)의 구멍을 관통하면서 기판(37)은 핀(35) 상에 위치하게 됨으로써 기판(37)은 기판 홀더(36)와 완전히 분리된다. 핀(35)은 가능한 기판(37)의 최소한의 면적을 지지하도록 한 다. 본 발명에서 핀은 기판 하나당 6개가 대응되도록 하는 것이 바람직하다. 이때 핀은 직사각형 기판의 긴 변의 양쪽에 각각 3개씩 위치하도록 한다. 이와 같이 기판(37)은 기판 홀더(36)와 분리되어 있고 동시에 최소한의 면적으로 핀에 의해 지지가 되고 있기 때문에, 기판(37)의 대부분의 면적은 노출되어 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따를 때 기판의 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
기판 저장부(40)는 기판 냉각부(30)에서 냉각이 완료된 기판이 이송되어 저장되는 파트이다. 기판 로봇이 핀(35) 위의 기판(37)을 들어서 기판 저장부(40)로 이송하여 저장한다.
지금까지는 열처리 및 그 이후의 과정을 중심으로 본 발명에 따른 시스템을 설명하였지만, 기판 냉각부(30) 및 기판 저장부(40)는 열처리를 위하여 복수개의 기판을 기판 열처리부(20)로 장입하는 과정에서도 사용할 수 있다. 예를 들어, 기판 냉각부(30)는 복수개의 기판이 열처리를 위하여 기판 열처리부(20)에 장입되기 이전에 기판 홀더에 장착되는 파트로 사용된다. 다만 이와 같은 경우에는 기판 냉각의 필요성이 존재하지 않기 때문에 냉각팬(32) 등을 작동시키지 않아도 된다. 열처리를 위하여 기판 저장부(40)로부터 기판 냉각부(30)를 거쳐서 기판 열처리부(20)로의 기판 이송 과정은 다음과 같다. 기판 로봇이 기판 저장부(40)에 저장되어 있는 기판을 잡아서 기판 냉각부(30)의 핀(35)에 올려놓는다(도 3 참조). 그 후, 기판 로봇이 도 3의 기판 상태에서 기판 홀더(36)를 잡아서 들어올리면 핀(35)이 기판 홀더(36)로부터 빠지면서 자연스럽게 기판(37)은 기판 홀더(36)에 장착된다. 그 후, 기판(37)이 장착된 채로 기판 홀더(36)가 기판 열처리부(20)로 장입되 어 기판 열처리가 진행된다. 기판(37)은 그 전면이 기판 홀더(36)에 완전히 밀착된 상태로 열처리 되며, 이와 관련해서는 도 1에서 설명한 바 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
본 발명에 따른 비정질 실리콘 결정화를 위한 열처리 시스템은 결정화 열처리 후 기판의 냉각 속도를 빠르게 하여 평판 디스플레이의 생산성을 향상시키는 효과가 있다.
Claims (10)
- 다결정 실리콘을 제조하기 위하여 비정질 실리콘이 형성된 복수개의 기판을 열처리하는 시스템으로서,상기 비정질 실리콘이 형성된 복수개의 기판을 저장하는 기판 저장부;상기 비정질 실리콘이 형성된 복수개의 기판을 동시에 열처리하는 기판 열처리부; 및상기 기판 열처리부에서 보다 더 빠른 속도로 상기 비정질 실리콘이 형성된 복수개의 기판을 냉각하는 기판 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 기판은 투명 기판인 것을 특징으로 하는 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 기판은 기판 홀더 상에 장착된 상태로 상기 기판 열처리부에 로딩 또는 언로딩되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 기판 열처리부에서 열처리 온도는 400 내지 750℃, 열처리 시간은 5분 내지 10 시간, 열처리 분위기는 불활성 가스 분위기, 산화성 가스 분위기 및 환원성 가스 분위기 중 적어도 하나로 제어되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 기판 냉각부를 구성하는 기본 프레임 내부에는 냉각수가 흐르도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 기판 냉각부는 냉각팬 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 기판 냉각부에서 상기 기판은 기판 홀더와 분리된 상태에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제7항에 있어서,상기 냉각팬 유닛은 공기 중에 포함된 파티클 제거용 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 기판 냉각부는 상기 기판을 지지하는 기판 홀더를 지지하는 기판 트레이를 포함하고, 상기 기판 트레이에는 상기 기판 홀더에 형성되어 있는 홀을 관통하여 상기 기판을 지지할 수 있도록 하는 핀이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
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