KR100859689B1 - 레이저 어닐 장치 및 레이저 어닐 방법 - Google Patents
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Abstract
메인터넌스 주기가 길어지고 생산 효율이 향상된 레이저 어닐 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 레이저 어닐 장치는 엑시머 레이저 빔을 발생시키는 레이저실, 상기 레이저실에 레이저 가스를 공급하는 가스공급부, 상기 레이저실에서 사용된 레이저 가스를 배기하는 배기부, 상기 가스공급부 및 상기 배기부를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 레이저 가스의 에너지 산포가 설정값에 도달하면 상기 배기부를 구동하여 레이저 가스의 일부를 배기시키고, 상기 가스공급부를 구동하여 할로겐 가스를 보충하도록 제어한다.
엑시머레이저, 어닐링, 메인터넌스, 에너지산포, 할로겐가스
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 어닐 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 레이저 조사횟수에 따른 에너지 산포의 변화와 할로겐 가스를 주입하는 경우 에너지 산포의 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 레이저 어닐 장치 및 이를 이용한 레이저 어닐 방법에 대한 것이다.
박막 트랜지스터(Thin Film Transistor ; TFT)는 표시 장치의 성능에 있어 매우 중요한 구성요소이다. 상기 TFT의 성능을 판단하는 기준인 이동도(mobility) 또는 누설 전류 등은 전하 운반자가 이동하는 경로인 활성층이 어떤 상태 또는 구조를 갖느냐, 즉, 활성층의 재료인 실리콘 박막이 어떤 상태 또는 구조를 갖느냐에 크게 좌우된다.
활성층으로서 a-Si을 적용한 a-Si TFT는 이동도가 0.5㎠/Vs 내외로 매우 낮 기 때문에 모든 구동 소자를 만들기엔 제한적이다. 이것은 표시 장치의 주변 회로용 구동 소자는 매우 빠른 속도로 동작해야 하는데, 상기 a-Si TFT는 주변 회로용 구동 소자에서 요구하는 동작 속도를 만족시킬 수 없으므로, a-Si TFT로는 주변회로용 구동 소자의 구현이 실질적으로 곤란하다는 것을 의미한다.
반면, 활성층으로서 다결정 실리콘(polycrystalline silicon: 이하, poly-Si)을 적용한 poly-Si TFT는 이동도가 수십∼수백㎠/Vs로높기 때문에 주변회로용 구동 소자에 대응 가능한 높은 구동속도를 낼 수 있다.
이 때문에, 기판 상에 poly-Si막을 형성시키면, 주변회로용 구동 소자 또한 구현이 가능하게 되고, 주변회로 형성에 필요한 별도의 모듈 공정이 필요치 않을 뿐만 아니라, 화소 영역을 형성할 때 주변회로 구동 소자들까지 함께 형성할 수 있으므로 주변 회로용 구동 소자 제조 비용을 절감할 수 있다.
뿐만 아니라, poly-Si TFT는 높은 이동도 때문에 a-Si TFT 보다 작게 만들 수 있고, 선폭 미세화가 보다 용이해져 a-Si TFT-LCD에서 실현이 힘든 고해상도를 얻는데 매우 유리하다.
게다가, poly-Si TFT는 높은 전류 특성을 갖기 때문에 차세대 평판 표시 장치인 유기 발광 표시 장치의 구동 소자로도 적합하다. 따라서, 최근에는 기판 상에 poly-Si막을 형성시켜 TFT를 제조하는 poly-Si TFT의 연구가 활발하게 진행되고 있다.
상기 poly-Si막을 기판 상에 형성시키기 위한 방법으로서는 a-Si막의 증착 후 열처리를 행하여 상기 a-Si막을 결정화시키는 방법을 들 수 있다. 그런데, 이 경우에는 600℃ 이상의 고온에서 기판의 변형이 일어나게 되므로, 신뢰성 및 수율 감소를 초래하게 된다.
이에, 기판에 열적 손상(thermal damage)을 주지않고 a-Si막만을 결정화시킬 수 있는 방법으로서 엑시머 레이저(Excimer Laser)를 이용하는 저온 다결정화 방법이 제안되었다. 이 엑시머 레이저를 이용하는 저온 다결정화 방법은 엑시머 레이저 어닐 장치에서 발생된 레이저를 어닐 챔버 내의 비정질 실리콘 박막에 조사하여 이루어지게 된다.
상기 엑시머 레이저 어닐 장치는 Ne, Xe, HCl 등의 레이저 가스가 충전되어 있는 레이저실을 구비하며, 이 레이저 가스는 전자빔 조사나 방전 등의 방법에 의해 여기 상태의 분자로 형성되며, 상기한 작용에 의해 레이저빔이 발생된다.
그런데, 상기 레이저 가스는 레이저빔을 기판에 조사하는 횟수가 증가함에 따라 소모되고, 화학 반응에 의해 열화하여 에너지 산포가 증가하게 된다. 따라서, 주기적인 메인터넌스(maintenance)를 실시하지 않는 경우에는 상기 에너지 산포의 발생으로 인해 표시장치의 화상에 줄무늬가 생기는 등의 문제점이 발생한다.
그러나, 상기 메인터넌스는 상기 레이저 가스를 모두 교환하는 등의 번잡한 작업을 요구하며, 메인터넌스의 진행 시간 동안 레이저 어닐 장치를 정지시켜야 하기 때문에, 정지하고 있는 시간만큼 생산 효율이 저하되며, 결국 표시 장치의 제조 원가가 상승하는 문제점이 있다.
본 발명은 에너지 산포가 설정값에 도달하는 경우 소정 가스를 레이저실에 보충하여 에너지 산포를 감소시킴으로써, 메인터넌스 주기를 늘리고 생산 효율을 향상시키는 레이저 어닐 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 전술한 레이저 어닐 장치를 이용한 레이저 어닐 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 레이저 어닐 장치는 엑시머 레이저 빔을 발생시키는 레이저실, 상기 레이저실에 레이저 가스를 공급하는 가스공급부, 상기 레이저실에서 사용된 레이저 가스를 배기하는 배기부, 상기 가스공급부 및 상기 배기부를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 레이저 가스의 에너지 산포가 설정값에 도달하면 상기 배기부를 구동하여 레이저 가스의 일부를 배기시키고, 상기 가스공급부를 구동하여 할로겐 가스를 보충하도록 제어한다.
이때, 상기 에너지 산포의 설정값이 0.1 내지 1.0일 수 있다.
또한, 상기 가스공급부는 Ne을 공급하는 제1 가스공급부, Xe를 공급하는 제2 가스공급부 및 할로겐 가스를 공급하는 제3 가스공급부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3 가스공급부가 보충하는 할로겐 가스는 HCl일 수 있다.
한편 본 발명에 따른 레이저 어닐 방법은 Ne, Xe 및 HCl를 포함하는 레이저 가스를 레이저실에 공급하여 레이저를 발생시키는 단계, 상기 레이저의 에너지 산포가 설정값에 도달할 때까지 엑시머 레이저 어닐링을 진행하는 단계, 상기 에너지 산포가 설정값에 도달된 경우 상기 레이저실의 레이저 가스를 일부 배기하는 단계, 상기 레이저실에 할로겐 가스를 보충하는 단계 및 메인터넌스 주기에 도달할 때까 지 상기 과정을 반복 수행하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 레이저실의 레이저 가스를 일부 배기하는 단계는, 상기 에너지 산포가 0.1 내지 1.0의 범위에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 레이저실에 할로겐 가스를 보충하는 단계는, 상기 할로겐 가스로 HCl을 이용할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 어닐 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 실시예에 따른 레이저 어닐 장치(100)는 레이저실(10), 제1 내지 제3 가스공급부(21,22,23), 배기부(30) 및 제어부(40)를 포함하여 구성된다.
또한, 레이저 어닐 장치(100)는 에너지 산포 입력 장치(50)를 더욱 구비할 수 있다.
레이저실(10)의 내부는 Ne, Xe, HCl등의 레이저 가스가 충전되어 있다. 또한, 레이저실(10)의 내부에는 방전전극(미도시)이 구비되어 있는데, 레이저 가스를 여기시켜 레이저빔을 발진한다. 레이저실(10)은 배관(60) 및 각 밸브(21a, 22a, 23a, 30a)을 통하여 각 가스공급부(21,22,23) 및 배기부(30)와 접속되어 있고, 또한 에너지 산포 입력장치(50)와 연결되어있다.
가스공급부(21,22,23)는 레이저실(10)에 레이저 가스를 공급하는데, Ne을 공급하는 제1 가스공급부(21), Xe를 공급하는 제2 가스공급부(22) 및 HCl을 공급하는 제3 가스공급부(23)로 구성된다. Ne 가스는 버퍼 가스로서의 역할을 하고, Xe와 HCl가스는 레이저 빔을 발생시킨다.
배기부(30)는 메인터넌스를 위해 레이저 가스를 교환하는 경우 및 할로겐 가스를 주입하기 전에 레이저실(10) 내의 레이저 가스를 흡입하여 배기한다. 배기부(30)의 내부에는 할로겐 가스 제거용 필터 등이 장착되어 유해한 할로겐 가스를 제거한 후 배기한다.
제어부(40)는 일반적으로 메인터넌스 주기에 따라 메인터넌스를 수행하는 경우에 레이저실(10) 내부의 레이저 가스를 모두 배기시키도록 배기부(30)를 제어하여 연결된 밸브(30a)를 개폐한다.
또한, 제어부(40)는 레이저실(10) 내부의 레이저 가스의 에너지 산포가 설정값, 예컨대 0.1 내지 1.0의 범위에 해당하게 되면, 배기부(30)를 제어하여 레이저 가스의 일부를 배기하도록 제어하고, 상기 제3 가스공급부(23)와 연결된 밸브(23a)를 개폐하여 상기 배기된 만큼의 할로겐 가스를 상기 레이저실(10)에 보충 공급한다.
한편, 이러한 레이저 가스의 에너지 산포의 설정값은 전술한 에너지 산포 입력 장치(50)가 제어부(40)로 입력한다.
이하 할로겐 가스를 주입하는 경우의 효과에 대하여 좀더 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 레이저 조사 횟수에 따른 에너지 산포의 변화와 할로겐 가스를 주입하는 경우 에너지 산포의 변화를 나타내는 그래프이다.
도면을 참조하면, 레이저빔을 기판에 조사하는 횟수가 증가함에 따라 레이저 가스가 소모되고 오염되어 에너지 산포가 증가함을 알 수 있는데, 에너지 산포가 0.1내지 1.0 부근의 값인 경우에 할로겐 가스를 레이저실에 주입하게 되면 히스토리 파일(history file)의 에너지 산포가 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
즉, 레이저 가스를 모두 교체한 메인터넌스 직후에는 에너지 산포는 낮지만 조사 횟수가 증가함에 따라 에너지 산포가 증가하게 되는데, 레이저 실(10)의 레이저 가스의 일부만을 배기하고 배기한 만큼의 할로겐 가스를 주입하게 되면 에너지 산포가 좋아져 메인터넌스와 같은 효과가 생긴다.
따라서, 에너지 산포를 낮추기 위해 레이저 가스를 모두 배기한 후 새로운 레이저 가스를 공급할 필요가 없으므로 경제적이며, 에너지 산포를 낮추어 표시 장치의 화상에 줄무늬가 생기는 것을 막을 수 있다.
이때, 에너지 산포가 0.1 이하인 경우에는 아직 레이저 빔의 품질에 영향이 없기 때문에 할로겐 가스를 주입할 필요가 없고, 에너지 산포가 1.0 이상인 경우에는 레이저 빔의 품질이 저하되어 차라리 메인터넌스를 수행하는 것이 바람직하기 때문이다.
아래의 표 1에서 본 실시예에 따른 할로겐 가스를 주입하는 경우와 일반적인 메인터넌스의 경우를 비교하였다.
| 종래의 메인터넌스 | 할로겐 가스 주입시 | |
| 가스 소모량 | HCl 50mbar, Xe 40mbar, Ne 3210mbar | HCl 20mbar |
| 소요 시간 | 3~4시간 | 1초이하 |
| 메인터넌스 주기내 진행가능한 샷(shot) 수 | 700만 이하 | 1500만 이상 |
표 1에서 나타낸 바와 같이, 일반적인 메인터넌스의 경우에는 레이저실 내부의 레이저 가스를 모두 배기한 후 HCl 50mbar, Xe 40mbar, Ne 3210mbar의 가스를 모두 재 공급하지만, 할로겐 가스를 주입하는 경우에는 레이저 가스 20mbar만을 배기한 후 HCl 20mbar만을 주입한다.
또한, 할로겐 가스 20mbar를 주입하는 것 만으로 진행 가능한 샷의 횟수가 700만번 이하에서 1500만번 이상으로 증대되므로 메인터넌스의 주기를 현저히 증대시키고, 생산 비용을 현저히 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 레이저가스를 모두 배기하고 다시 새로운 레이저 가스를 공급하는 메인터넌스의 소요시간은 최소 3시간 이상이 걸리나 할로겐 가스를 주입하는 시간은 1초 이하에 불과하므로 메인터넌스에 걸리는 시간만큼 공정이 지연되는 문제가 해결된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명은 간단히 할로겐 가스를 레이저실에 주입하는 것만으로 메인터넌스 의 주기를 현저히 증대시켜 생산비용을 감소시킨다.
또한, 본 발명은 에너지 산포를 낮추기 위해 레이저 가스를 모두 배기하고 재 공급할 필요가 없으므로 경제적이고, 할로겐 가스의 주입만으로 에너지 산포를 낮추어 표시 장치의 화상에 줄무늬가 생기는 것을 막을 수 있다.
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- Ne, Xe 및 HCl를 포함하는 레이저 가스를 레이저실에 공급하여 레이저를 발생시키는 단계;상기 레이저 가스의 에너지 산포의 설정값을 제어부에 입력하는 에너지 산포 입력 단계;상기 제어부에 입력된 상기 레이저의 에너지 산포가 설정값에 도달할 때까지 엑시머 레이저 어닐링을 진행하는 단계;상기 에너지 산포가 설정값에 도달된 경우, 상기 제어부가 배기부를 구동시켜 상기 레이저실의 레이저 가스를 일부 배기시키는 단계, 및 상기 제어부가 가스공급부를 구동시켜 상기 레이저실에 할로겐 가스를 보충시키는 단계;메인터넌스 주기에 도달할 때까지 상기 과정을 반복 수행하는 단계를 포함하는 레이저 어닐 방법.
- 제5 항에 있어서,상기 레이저실의 레이저 가스를 일부 배기하는 단계는, 상기 에너지 산포가 0.1 내지 1.0의 범위인 경우 수행되는 레이저 어닐 방법.
- 제6 항에 있어서,상기 레이저실에 할로겐 가스를 보충하는 단계는, 상기 할로겐 가스로 HCl을 이용하는 레이저 어닐 방법.
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