KR101066478B1 - 레이저 빔 패턴 마스크 및 이를 이용한 결정화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 육각형 도트 패턴(hexagonal dot pattern)으로 투과부를 형성한 레이저 빔 패턴 마스크를 구비하고, 이를 이용하여 결정화 특성을 향상시킨 레이저 빔 패턴 마스크 및 이를 이용한 결정화 방법에 관한 것으로, 본 발명의 레이저 빔 패턴 마스크는 홀수개의 육각형 셀이 접하여 이루어진 투과부를 복수개 라인으로 평행하게 구비하여 이루어짐을 특징으로 한다.
SLS(Sequential Lateral Solidification), 레이저 빔(Laser Beam), 에지(Edge), 구동부, 레이저 빔 패턴 마스크, 빔 중첩
Description
도 1은 레이저 에너지 밀도별 비정질 실리콘의 입자의 크기를 나타낸 그래프
도 2는 일반적인 SLS 공정을 위한 레이저 조사 장치를 나타낸 개략도
도 3은 레이저 조사에 이용되는 레이저 빔 패턴 마스크를 나타낸 평면도
도 4는 도 3의 레이저 빔 패턴 마스크를 이용해 레이저 1빔 조사시 형성되는 결정화 영역을 나타낸 도면
도 5는 종래의 결정화 방법을 나타낸 공정 평면도
도 6a 및 도 6b는 종래의 결정화 방법을 적용한 폴리 실리콘을 나타낸 SEM도
도 7은 본 발명의 레이저 빔 패턴 마스크를 나타낸 평면도
도 8은 도 7의 인접한 셀을 나타낸 확대도
도 9는 도 7의 마스크를 이용하여 연속된 2샷(shot)을 진행 후의 결정화 영역을 나타낸 도면
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 결정화 방법을 나타낸 공정 평면도
도 11은 본 발명의 결정화 방법을 적용한 폴리 실리콘을 나타낸 SEM도
도 12는 도 11의 확대도
*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*
100 : 레이저 빔 패턴 마스크 D : 투과부
E : 차단부 L1 : 투과부 중앙부
L2 : 인접한 투과부 양측 에지부의 길이 EL1 : 좌측 에지부 길이
EL2 : 우측 에지부 길이 X : 1회 샷에서 결정화되는 길이
본 발명은 실리콘 결정화에 관한 것으로 특히, 육각형 도트 패턴(hexagonal dot pattern)으로 투과부를 형성한 레이저 빔 패턴 마스크를 구비하고, 이를 이용하여 결정화 특성을 향상시킨 레이저 빔 패턴 마스크 및 이를 이용한 결정화 방법에 관한 것이다.
정보화 사회가 발전함에 따라 표시장치에 대한 요구도 다양한 형태로 점증하고 있으며, 이에 부응하여 근래에는 LCD(Liquid Crystal Display device), PDP(Plasma Display Panel), ELD(Electro Luminescent Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display)등 여러 가지 평판 표시 장치가 연구되어 왔고 일부는 이미 여러 장비에서 표시장치로 활용되고 있다.
그 중에, 현재 화질이 우수하고 경량, 박형, 저소비 전력을 장점으로 인하여 이동형 화상 표시장치의 용도로 CRT(Cathode Ray Tube)를 대체하면서 LCD가 가장 많이 사용되고 있으며, 노트북 컴퓨터의 모니터와 같은 이동형의 용도 이외에도 방송신호를 수신하여 디스플레이 하는 텔레비전 및 컴퓨터의 모니터 등으로 다양하게 개발되고 있다.
이와 같은 액정표시장치는, 화상을 표시하는 액정 패널과 상기 액정 패널에 구동신호를 인가하기 위한 구동부로 크게 구분될 수 있으며, 상기 액정 패널은 일정 공간을 갖고 합착된 제 1, 제 2 유리 기판과, 상기 제 1, 제 2 유리 기판 사이에 주입된 액정층으로 구성된다.
여기서, 상기 제 1 유리 기판(TFT 어레이 기판)에는, 일정 간격을 갖고 일방향으로 배열되는 복수개의 게이트 라인과, 상기 각 게이트 라인과 수직한 방향으로 일정한 간격으로 배열되는 복수개의 데이터 라인과, 상기 각 게이트 라인과 데이터 라인이 교차되어 정의된 각 화소영역에 매트릭스 형태로 형성되는 복수개의 화소 전극과, 상기 게이트 라인의 신호에 의해 스위칭되어 상기 데이터 라인의 신호를 상기 각 화소전극에 전달하는 복수개의 박막트랜지스터가 형성된다.
그리고 제 2 유리 기판(칼라필터 기판)에는, 상기 화소 영역을 제외한 부분의 빛을 차단하기 위한 블랙 매트릭스층과, 칼라 색상을 표현하기 위한 R,G,B 칼라 필터층과 화상을 구현하기 위한 공통 전극이 형성된다.
이와 같은 상기 제 1, 제 2 유리 기판은 스페이서(spacer)에 의해 일정 공간을 갖고 액정 주입구를 갖는 실(seal)재에 의해 합착되어 상기 두 기판 사이에 액정이 주입된다.
상기 일반적인 액정 표시 장치의 구동 원리는 액정의 광학적 이방성과 분극 성질을 이용한다. 액정은 구조가 가늘고 길기 때문에 분자의 배열에 방향성을 갖고 있으며, 인위적으로 액정에 전기장을 인가하여 분자 배열의 방향을 제어할 수 있 다. 따라서, 상기 액정의 분자 배열 방향을 임의로 조절하면, 액정의 분자 배열이 변하게 되고, 광학적 이방성에 의하여 상기 액정의 분자 배열 방향으로 빛이 굴절하여 화상 정보를 표현할 수 있다.
현재에는 박막 트랜지스터와 상기 박막 트랜지스터에 연결된 화소 전극이 행렬 방식으로 배열된 능동 행렬 액정 표시 장치(Active Matrix LCD)가 해상도 및 동영상 구현 능력이 우수하여 가장 주목받고 있다.
상기 박막 트랜지스터의 반도체층을 다결정 실리콘(poly silicon)으로 형성하는 액정 표시 장치에서는 박막 트랜지스터와 구동 회로를 동일 기판 상에 형성할 수 있으며, 박막 트랜지스터와 구동 회로를 연결하는 과정이 불필요하므로 공정이 간단해진다. 또한, 다결정 실리콘은 비정질 실리콘에 비해 전계 효과 이동도가 100 내지 200 배정도 더 크므로 응답 속도가 빠르고, 온도와 빛에 대한 안정성도 우수한 장점이 있다.
상기 다결정 실리콘의 제조 방법은 공정 온도에 따라 저온 공정과 고온 공정으로 나눌 수 있으며, 이 중 고온 공정은 공정 온도가 1000℃ 근처로 절연 기판의 변형 온도 이상의 온도 조건이 요구되어, 유리 기판은 내열성이 떨어지므로 열 저항력이 높은 고가의 석영 기판을 써야 된다는 점과, 이 고온 공정에 의한 다결정 실리콘 박막의 경우 성막시 높은 표면 조도(surface roughness)와 미세 결정립 등의 저품위 결정성으로 저온 공정에 의한 다결정 실리콘보다 소자 응용 특성이 떨어진다는 단점이 있으므로, 저온 증착이 가능한 비정질 실리콘을 이용하여 이를 결정화시켜 다결정 실리콘으로 형성하는 기술이 연구/개발되고 있다.
상기 저온 공정은 레이저 열처리(laser annealing), 금속 유도 결정화(Metal Induced Crystallization) 등으로 분류할 수 있다.
이 중 레이저 열처리 공정은 펄스(pulse) 형태의 레이저 빔을 기판 상에 조사하는 방법을 이용하는데, 이 펄스 형태의 레이저 빔에 의하면 용융과 응고가 10~102
나노세컨드(nano second) 단위로 반복되어 진행되는 방식으로써, 하부 절연기판에 가해지는 데미지(damage)를 최소화시킬 수 있는 장점을 가져 저온 결정화 공정에서 가장 주목받고 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 레이저 열처리 공정에 따른 실리콘의 결정화 방법에 대해서 설명한다.
도 1은 레이저 에너지 밀도별 비정질 실리콘의 입자의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 1과 같이, 비정질 실리콘의 결정화는 레이저 에너지의 세기에 따라 제 1, 제 2, 제 3 영역으로 분류할 수 있다.
제 1 영역은 부분 용융 영역(partial melting region)으로, 비정질 실리콘층의 표면만이 용융될 정도의 세기로 레이저 에너지가 비정질 실리콘층에 조사되는 영역이며, 상기 제 1 영역에서는 이러한 조사 후 비정질 실리콘층의 표면의 부분 용융이 이뤄지고, 고상화(solidification) 과정을 거쳐 상기 비정질 실리콘층 표면에 작은 결정 입자가 형성된다.
제 2 영역은 완전 용융 근접 영역(near-complete melting region)으로, 상기 제 1 영역보다 레이저 에너지 세기를 높여 비정질 실리콘층이 거의 용융될 정도로 레이저 에너지를 조사하는 영역이며, 용융 후 남아있는 작은 핵들을 씨드(seed)로 하여 결정을 성장시켜 제 1 영역에 비해 성장한 결정 입자를 얻을 수 있으나, 균일한 결정 입자를 얻기는 곤란하다. 여기서, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역에 비해 상당히 소폭이다.
제 3 영역은 완전 용융 영역(complete melting region)으로, 상기 제 2 영역보다 레이저 에너지 세기를 높여 비정질 실리콘층을 모두 용융시킬 정도로 레이저를 조사하는 영역이며, 비정질 실리콘층이 모두 용융된 후 고상화가 진행되어 균일한 결정 핵 생성(homogeneous nucleation)이 가능하여 조사 후, 미세한(fine) 균일 결정 입자로 이루어진 결정 실리콘층이 형성된다.
다결정 실리콘을 제조하는 공정에서는 제 2 영역대의 에너지 밀도를 이용하여 균일하게 조대한 결정 입자를 형성하기 위하여, 레이저 빔의 조사 횟수 및 중첩비를 조절한다.
그러나, 다결정 실리콘의 다수 개의 결정 입자 경계부는 전류 흐름의 장애요소로 작용하여 신뢰성 있는 박막 트랜지스터 소자를 제공하기 어렵고, 다수개의 결정 입자 내에서는 전자간의 충돌에 의한 충돌 전류 및 열화에 의해 절연막이 파괴되어 제품 불량을 초래하는 문제점을 갖고 있으므로, 이러한 문제점을 개선하기 위하여, 실리콘 결정 입자가 액상 실리콘과 고상 실리콘의 경계면에서, 그 경계면에 대하여 수직 방향으로 성장한다는 사실을 이용한 SLS(Sequential Lateral Solidification) 기술에 의해 단결정 실리콘을 형성하는 기술(Robert S. Sposilli, M.A. Crowder, and James S. Im, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol.452, 956~957, 1997)이 제안되었다.
상기 SLS 기술에서는, 레이저 에너지 크기와 레이저 빔의 조사 범위 및 이동 거리(translation distance)를 적절히 조절하여, 실리콘 결정 입자를 소정의 길이만큼 측면 성장시킴으로써, 비정질 실리콘을 1㎛ 수준 이상의 단결정으로 결정화시킬 수 있다.
이러한 SLS 공정에 이용되는 조사 장치는 좁은 영역에 빔을 집중시키게 되므로 넓은 면적의 기판에 적층된 비정질 실리콘층을 동시에 다결정질로 변화시킬 수 없다. 따라서, 기판의 조사 위치를 변경시키도록, 비정질 실리콘층이 적층된 기판을 스테이지에 장착한 후, 소정 면적에 조사가 이루어진 후, 기판을 이동시켜 다음 면적을 조사시키는 방식으로 기판의 전 영역에 조사가 이루어지도록 한다.
도 2는 일반적인 SLS 조사 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2와 같이, 상기 SLS 조사 장치는 레이저 빔을 발생하는 레이저 발생장치(미도시)와, 상기 레이저 빔의 에너지 크기를 조절하여 감속시키는 어테뉴에이터(attenuator, 1)와, 상기 레이저 빔의 경로를 변경하는 제 1 미러(mirror, 2a)와, 상기 레이저 빔을 퍼뜨리는 망원 렌즈(telescope lens, 3)와, 다시 레이저 빔의 경로를 변경하는 제 2 미러(2b)와, 상기 레이저 빔을 균일하게 집광시키는 호모지나이저(homogenizer) 및 집광 렌즈(condenser lens)(4)와, 상기 레이저 빔의 경로를 다시 꺽어 변경하는 제 3 미러(2c)와, 상기 레이저 빔의 형상을 레이저 빔 패턴 마스크 입사 수준으로 적절히 변경하는 필드 렌즈(field lens, 5)와, 패턴을 구비하여 상기 레이저 빔을 소정의 패턴으로 투과시키는 레이저 빔 패턴 마스크(6)와, 상기 레이저 빔 패턴 마스크(6)로부터 투과되는 레이저 빔을 축소 비율로 축소시켜 기판 상에 조사하는 프로젝션 렌즈(projection lens, 7)를 포함하여 구성된다.
상기 레이저 발생장치는 엑시머 레이저(Excimer Laser)로서 308nm의 XeCl나 248nm의 KrF가 주로 이용된다. 상기 레이저 발생장치는 가공되지 않은 레이저 빔(laser beam)을 방출시키며, 방출된 레이저 빔은 상기 어테뉴에이터(1) 및 경로를 꺽는 여러개의 미러, 여러 가지 기능의 렌즈 및 레이저 빔 패턴 마스크를 통과하여, 소정의 레이저 빔 패턴으로 기판(10) 상에 조사되게 된다.
여기서, 상기 미러들(2a, 2b, 2c)이 형성된 이유는, SLS 조사 장치가 차지하는 공간을 일 방향으로 길게 하지 않고, 공간의 활용을 최대화하기 위해서이다. 경우에 따라 미러는 그 개수를 조절하여, SLS 조사 장치가 차지하는 공간 면적을 늘리거나 줄일 수 있다.
상기 레이저 빔 패턴 마스크(6)에 대응되는 위치에 비정질 실리콘층이 증착된 기판(10)이 장착된 스테이지(8)가 위치한다.
상기 기판(10)은 외부로부터 유입되어 상기 스테이지(8) 상에 장착되므로, 상기 기판(10)을 상기 스테이지(8) 상에 고정시키는 고정 수단을 구비하여 결정화를 위한 스테이지(8)의 이동시 상기 기판(10)이 움직이지 않도록 한다.
이때, 상기 기판(10)의 모든 영역을 결정화하기 위해서는 상기 X-Y스테이지(5)를 미소하게 이동하여 줌으로써 결정 영역을 점진적으로 확대해 나 가는 방법을 사용한다.
여기서, 상기 레이저 빔 패턴 마스크(6)는 상기 레이저 빔을 통과시키는 투과부와, 레이저 빔을 차단하는 차단부로 구분된다. 상기 투과부의 폭은 1회 노광시 형성되는 그레인의 측면성장 길이를 결정한다.
상기 레이저 빔 패턴 마스크(6)에 대해서는 이하에서 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 3은 레이저 조사에 이용되는 레이저 빔 패턴 마스크를 나타낸 평면도이며, 도 4는 도 3의 레이저 빔 패턴 마스크를 이용해 레이저 1빔 조사시 형성되는 결정화 영역을 나타낸 도면이다.
도 3과 같이, 레이저 조사에 이용되는 레이저 빔 패턴 마스크는 제 1 간격(a)으로 패턴이 오픈된 투과부(A)와 제 2 간격(b)으로 패턴이 차단된 차단부(B)가 교차하여 이루어진다.
상기 레이저 빔 패턴 마스크를 이용한 레이저 조사 방법은 다음과 같다.
비정질 실리콘층이 증착된 기판의 상부에 위치한 상기 레이저 빔 패턴 마스크(3)를 통해 레이저 빔을 1회 조사한다. 이 때, 조사되는 레이저빔은 상기 레이저 빔 패턴 마스크(3)에 구성된 다수의 투과부(A)로 통과되어, 상기 투과부(A)에 대응되어 도 4와 같이, 조사되는 부위(22)의 비정질 실리콘층이 녹아 액상화한다. 이와 같은 경우, 상기 레이저 에너지의 정도는 조사 부위의 상기 비정질 실리콘층이 완전히 녹을 정도의 고 에너지 영역대(complete melting region)를 사용한다.
여기서, 레이저 빔 1회 조사로 상기 레이저 빔 패턴 마스크의 복수개의 투과 부(A)들이 연속되는 영역(즉, 가로 L, 세로 S의 크기로 정의되는 영역)에 대응되어 기판 상에 조사되는 영역을 단위 영역(20)이라 한다.
이와 같은, 레이저 빔의 조사 후 비정질 실리콘 영역과 완전히 용융되어 액상화된 실리콘 영역의 계면(21a, 21b)으로부터 조사 영역 쪽으로 그레인(silicon grain)(24a, 24b)의 측면성장이 진행된다. 그레인(24a, 24b)의 측면성장은 상기 계면(21a, 21b)에 대해 수직하는 방향으로 일어난다.
상기 투과부(A)에 대응되어 조사되는 부위(22)의 폭이 결정화된 실리콘 그레인(24a) 성장 길이의 2배보다 작으면, 상기 비정질 실리콘 영역과 조사되는 부위(22)의 양측 계면(21a, 21b)에서 안쪽으로 수직하게 성장한 양측의 그레인은 중간 지점(grain boundary, 25)에서 부딪히게 되면서 성장을 멈추게 된다.
이어, 실리콘 그레인을 더욱 성장시키기 위해서는 상기 기판이 장착된 스테이지를 이동시켜 상기 조사된 부위에 인접한 영역을 조사하여 상기 1회 조사에서 형성된 결정에 연결되는 결정을 형성한다. 마찬가지로, 조사시 순간적으로 완전히 용융된 조사 부위는 양측으로부터 측상으로 결정이 형성된다. 일반적으로 레이저 조사 공정으로 진행되는 인접한 조사부와 연결된 결정성장의 길이는 레이저 빔 패턴 마스크의 투과부(A)와 차단부(B)의 폭에 의해 결정화된다.
도 5는 종래의 결정화 순서를 나타낸 공정 평면도이다.
도 5와 같이, 종래의 기판(10) 상에 진행하는 실리콘 결정화는 도면상에 도시하는 순서대로 이루어진다.
즉, 먼저, 기판(10) 상의 조사 부위를 우측부터 좌측으로((-)X축으로) 도 3 의 레이저 빔 패턴 마스크(6)의 투과부 빔 길이(L)에 대응되는 만큼 이동(①)하여 기판(10)의 가로 방향에 대해 진행한다.
이어, 기판(10) 상의 조사 부위를 상측에서 하측으로((-)Y축으로) 투과부(a) 및 차단부(b)의 1/2 폭((a+b)/2)이 대응되는 기판 상의 길이만큼 이동(②)한다. 그리고, 다시 이어, 기판(10) 상의 조사 부위를 좌측부터 우측으로((+)X축으로) 투과부 빔 길이(L)에 대응되는 만큼 이동(③)하여, 상기 ①이동의 조사에서 상기 레이저 빔 패턴 마스크(6)에 대응된 기판(10)상의 각 단위 영역의 조사되지 않은 영역에 대해 결정화를 진행한다. 이 때, 레이저 빔 조사 영역은 ①이동의 레이저 빔 조사 영역과 소정 부분 오버랩시켜 이전 조사에서 형성된 결정에 연속하여 결정이 성장되도록 한다.
이어, 기판(10) 상의 조사 부위가 상기 레이저 빔 패턴 마스크(6)의 세로 길이(S)에 대응되도록 상측에서 하측으로((-)Y축으로) 이동(④)한 후, 같은 방식으로 상기 ①부터 ③까지의 과정을 반복하여 기판(10) 전면에 결정화 공정을 진행한다.
이러한 결정화 공정은 일반적으로, 레이저 빔 패턴 마스크(6)를 고정시킨 상태에서 상기 기판(10)이 장착된 스테이지(도 2의 8 참고)를 이동시켜 결정화를 진행하게 되는데, 이 때의 스테이지(8)의 이동은 상기 기판(10)에 이루어지는 결정화 방향에 반대 방향으로 하면 된다.
도 6a 및 도 6b는 종래의 결정화 방법을 적용한 폴리 실리콘을 나타낸 SEM도이다.
도 5에서의 공정 단면도에서 살펴본 바와 같이, 종래의 레이저 빔 마스크를 이용한 결정화 방법을 적용하여 폴리 실리콘층을 형성하면, 도 6a 및 도 6b와 같이, 결정화 패턴과 결정화 패턴 사이에 오버랩 영역이 발생되며, 이는 타 부위의 결정 부위와 달리 라인(line)으로 육안 관찰된다. 상기 결정화 패턴간의 오버랩 영역은 2번 이상의 조사가 동일 영역에 이루어져 라인으로 관찰되는 것으로, 소정의 폭을 갖는 라인형태의 투과부가 복수개 소정 간격 이격되어 형성된 레이저 빔 패턴 마스크를 이용한 기판 조사시 관찰되는 것이다.
이 경우, 상기 결정화 패턴간의 오버랩 영역은 라인 상으로 복수개 이격되어 관찰되며, 그레인 바운더리(grain boundary)로 작용한다. 이러한 부위에 소자가 위치할 경우, 이동도가 떨어저 소자의 특정이 떨어지는 문제점이 나타난다.
여기서, 도 6b는 도 6a에 비해 상대적으로 작은 결정화 길이를 갖는 경우의 SEM도이며, 도 6a 및 도 6b의 경우 모두 결정화 패턴들의 오버랩 영역에서 그레인 바운더리로 작용하는 복수개의 라인이 관찰된다.
상기와 같은 종래의 레이저 빔 패턴 마스크 및 이를 이용한 결정화 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 결정화를 위해 레이저 빔 패턴 마스크를 통해 레이저 빔 패턴을 기판 상에 조사하다보면 인접한 레이저 빔 패턴간의 조사 중첩(overlap)이 발생하게 된다. 특히, 라인상의 투과부에 대한 레이저 빔 패턴의 조사가 진행되며, 인접한 조사 영역간에는 오버랩 영역이 발생하여, 이는 정상적인 결정화가 이루어지지 못하고, 라인 형태의 그레인 바운더리(grain boundary)로 작용하게 된다. 이 경우, 상 기 라인 형태의 그레인 바운더리는 규칙적으로 반복되어 발생한다.
만일 이러한 그레인 바운더리가 반복된 결정화가 화소부에 이루어졌다면 각 라인들이 서로 간섭 효과를 일으켜 화상의 웨이브진 패턴으로 관찰되는 므와레 패턴(moire pattern)이 관찰되게 된다.
둘째, 이러한 라인 형의 그레인 바운더리가 반복된 결정화가 구동부에 이루어졌을 경우, 소자의 채널에 상기 그레인 바운더리에 위치할 확률이 크게 되고, 이는 소자의 신뢰성을 현저히 떨어뜨리는 원인이 될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 육각형 도트 패턴(hexagonal dot pattern)으로 투과부를 형성한 레이저 빔 패턴 마스크를 구비하고, 이를 이용하여 결정화 특성을 향상시킨 레이저 빔 패턴 마스크 및 이를 이용한 결정화 방법을 제공하는 데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 빔 패턴 마스크는 라인상으로 홀수개의 육각형 셀이 접하여 이루어진 투과부를 복수개 라인으로 평행하게 구비하여 이루어짐에 그 특징이 있다.
상기 육각형 셀은 직사각형의 중심부 및 상기 중심부 양측으로부터 이등변 삼각형의 형상으로 돌출된 에지부를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 중심부의 가로 길이는 상기 중심부 양측의 에지부의 가로 길이를 합한 길이와 같거나 보다 긴 것을 특징으로 한다.
상기 복수개의 투과부는 세로 방향으로 소정 간격 이격하여 평행하게 형성되 며, 상기 복수개의 투과부는 서로 접한 육각형 셀이 가로 라인 선상으로 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 빔 패턴 마스크를 이용한 결정화 방법은 비정질 실리콘 박막이 증착된 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판을 스테이지 상에 고정하는 단계와, 라인상으로 복수개의 육각형 셀이 접하여 이루어진 투과부를 복수개 라인으로 평행하게 구비한 레이저 빔 패턴 마스크를 준비하는 단계 및 상기 기판의 전 영역에 상기 레이저 빔 패턴 마스크의 중심부가 모두 대응되도록 상기 스테이지를 이동하여, 결정화를 위한 레이저 빔 조사를 진행하는 단계를 포함하여 이루어짐에 그 특징이 있다.
또한, 상기 육각형 셀은 직사각형의 중심부 및 상기 중심부 양측으로부터 이등변 삼각형의 형상으로 돌출된 에지부를 포함하여 형성한 것을 특징으로 한다.
상기 중심부의 가로 길이는 상기 중심부 양측의 에지부의 가로 길이를 합한 길이와 같거나 보다 긴 것을 특징으로 한다.
상기 복수개의 투과부는 세로 방향으로 소정 간격 이격하여 평행하게 형성되며, 상기 복수개의 투과부는 서로 접한 육각형 셀이 가로 라인 선상으로 배치된 것을 특징으로 한다.
상기 결정화를 위한 레이저 빔 조사는 상기 레이저 빔 패턴 마스크의 각 투과부에 대응되어 기판상에 결정화되는 길이의 1/2만큼 상기 스테이지를 가로 이동시키며 조사하여 가로 방향의 결정화를 진행하는 제 1 단계와, 상기 레이저 빔 패턴 마스크의 소정의 투과부에서 다음 투과부까지의 길이의 1/n(n은 2이상)에 대응 되는 기판 상의 길이만큼 상기 스테이지를 세로 이동하는 제 2 단계와, 상기 제 1 단계와 역방향으로, 상기 레이저 빔 패턴 마스크의 각 투과부에 대응되어 기판상에 결정화되는 길이의 1/2만큼 상기 스테이지를 가로 이동시키며 조사하여 가로 방향의 결정화를 진행하는 제 3 단계와, 상기 레이저 빔 패턴 마스크의 소정의 투과부에서 다음 투과부까지의 길이의 1/n(n은 2이상)에 대응되는 기판 상의 길이만큼 상기 스테이지를 세로 이동하는 제 4 단계와, 상기 제 1 내지 제 4 단계를 반복하여 조사하여 상기 기판 전면에 결정화를 진행하는 제 5 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 결정화 방법은 비정질 실리콘 박막이 증착된 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판을 스테이지 상에 고정하는 단계와, 복수개의 투과부가 세로 방향으로 소정 간격 이격하여 평행하게 형성되며, 상기 복수개의 투과부는 서로 접한 육각형 셀이 가로 라인 선상으로 배치된 레이저 빔 패턴 마스크를 준비하는 단계와, 상기 레이저 빔 패턴 마스크의 각 투과부에 대응되어 기판상에 결정화되는 길이의 1/2만큼 상기 스테이지를 가로 이동시키며 조사하여 가로 방향의 결정화를 진행하는 단계와, 상기 레이저 빔 패턴 마스크의 소정의 투과부에서 다음 투과부까지의 길이의 1/2에 대응되는 기판 상의 길이만큼 상기 스테이지를 세로 이동하는 단계와, 상기 제 1 단계와 역방향으로, 상기 레이저 빔 패턴 마스크의 각 투과부에 대응되어 기판상에 결정화되는 길이의 1/2만큼 상기 스테이지를 가로 이동시키며 조사하여 가로 방향의 결정화를 진행하는 단계 및 상기 레이저 빔 패턴 마스크의 소정의 투과부에서 다음 투과부까지의 길이의 1/2에 대응되는 기판 상의 길이만큼 상기 스테이지를 세로 이동하는 단계를 포함하여 이루어짐에 또 다른 특징이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 레이저 빔 패턴 마스크 및 이를 이용한 결정화 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 레이저 빔 패턴 마스크를 나타낸 평면도이며, 도 8은 도 7의 인접한 셀을 나타낸 확대도이다.
도 7과 같이, 본 발명의 레이저 빔 패턴 마스크(100)는 홀수개의 육각형(hexagonal) 셀(cell)이 접하여 이루어진 투명한 투과부(D)를 복수개 라인으로 평행하게 구비하여 이루어진다.
이 때, 상기 복수개의 투과부(D)는 세로 방향으로 소정 간격 이격하여 평행하게 형성되며, 상기 복수개의 투과부(d)는 서로 접한 육각형 셀이 가로 라인 선상으로 배치된다. 그리고, 상기 레이저 빔 패턴 마스크(100) 투과부(D)를 제외한 나머지 영역은 차단부(E)이다.
여기서, 상기 육각형 셀은 도 8과 같이, 길이가 L1인 직사각형의 중심부 및 상기 중심부 양측으로부터 이등변 삼각형의 형상으로 돌출된 에지부를 포함하여 이루어진다. 상기 좌측 에지부의 길이는 EL1이며, 우측 에지부의 길이는 EL2로, 인접한 육각형 셀에서 서로 꼭지점이 접한 에지부의 길이는 L2(EL1+EL2)에 해당된다.
상기 중심부의 가로 길이(L1)는 상기 중심부 양측의 에지부의 가로 길이(L2=EL1+EL2)를 합한 길이와 같거나 보다 길게 형성한다.
도 9는 도 7의 마스크를 이용하여 연속된 2샷(shot)을 진행 후의 결정화 영 역을 나타낸 도면이다.
도 9와 같이, 레이저 빔 패턴 마스크 또는 기판이 위치한 스테이지를 이동시켜 우측에서 좌측으로 가로 방향으로 진행하는 연속된 레이저 조사를 진행할 경우, 그 이동거리는 복수개의 육각형 셀(편의상 3개로 도시, 가능한 홀수개의 셀이 반복하도록 구성한다)이 반복된 일 투과부의 길이(X)의 1/2 길이(X/2)로 한다.
이와 같이, 연속하여 가로 방향의 조사를 진행하게 되면, 초기 조사의 일 투과부의 반분된 길이(X/2)를 제외하고는 모두 육각형 셀의 중심부가 대응되어 결정화가 이루어져, 비결정화 영역없이 고르게 결정화가 이루어진다.
이어, 도면을 참조하여 상술한 레이저 빔 패턴 마스크를 이용한 결정화 방법을 자세히 살펴본다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 결정화 방법을 나타낸 공정 평면도이다.
먼저, 비정질 실리콘 박막이 증착된 기판(미도시)을 준비한다.
상기 기판을 스테이지(미도시) 상에 고정한다.
도 7에서 설명한 레이저 빔 패턴 마스크(이 경우, 각 투과부에서 형성된 셀은 3개로 가정)를 준비한다.
도 10a와 같이, 도 9에서 설명한 가로 방향의 결정화를 좌측에서 우측 방향으로 실시(①)한다. 이 경우, 상기 레이저 빔 패턴 마스크(도 7의 100참조)를 이용한 각 레이저 빔 패턴 간의 조사시 이동 거리는 상기 레이저 빔 패턴 마스크(100)의 각 투과부의 길이(X)의 반분된 길(X/2)에 대응되는 길이이며, 이 때의 실제 이동은 기판이 장착된 스테이지 또는 레이저 빔 패턴 마스크를 기판에 대응되어 이동 시켜 이루어진다.
상기와 같이, 가로 방향의 결정화 진행 후, 각 투과부(D)들이 대응되지 않는 기판 상의 부위는 비정질 실리콘(a-Si) 영역으로 남아있고, 상기 각 투과부(D)에 대응되어 레이저 빔 패턴 조사가 이루어진 부분만 결정화가 이루어진다.
이 때, 상기 투과부(D)가 대응되는 기판 상의 부위는 라인(line)이라 하며, 상기 투과부(D)가 대응되지 않는 기판 상의 부위는 스페이스(space)라 한다.
이와 같이, 상기 레이저 빔 패턴 마스크(100)를 이용하여 좌측에서 우측 방향으로 기판 상의 가로 방향으로 결정화를 진행하여, 기판의 소정 부위의 가로 방향에서 레이저 빔 패턴 마스크(100)의 일 블록(레이저 빔 패턴 마스크에 구성된 복수개의 투과부)에 대한 결정화를 완료한다.
도 10b와 같이, 상기 레이저 빔 패턴 마스크(100) 또는 기판이 장착된 스테이지를 이동시켜 상기 기판이 레이저 빔 패턴 마스크(100)에 대해 라인의 폭 길이 및 스페이스의 폭 길이의 1/n(n은 2이상)만큼 이동(②)시킨다. 도시된 도면에서는 n은 2이라고 가정하여 도시하였다. 이는 2샷(shot)으로 기판의 소정 부위의 결정화가 가능함을 의미한다.
여기서, n이 2를 넘은 값일 때, 기판의 소정 부위를 결정화 하는데, 복수회의 샷(shot)을 조사함을 의미하며, 또한 이는, 결정화 후 성장된 그레인 길이가 가변됨을 의미한다.
도 10c와 같이, 다시 도 10a에서의 역방향인 우측에서 좌측 방향으로 일 투과부의 길이의 반분된 길이(X/2)에 대응되어 상기 기판 또는 레이저 빔 패턴 마스 크(100)를 이동시켜 결정화를 진행(③)한다.
이와 같이, 상기 레이저 빔 패턴 마스크(100)를 이용하여 우측에서 좌우측 방향으로 기판 상의 가로 방향으로 결정화를 진행하여, 기판의 소정 부위의 가로 방향에서 레이저 빔 패턴 마스크(100)의 일 블록(레이저 빔 패턴 마스크에 구성된 복수개의 투과부)에 대한 결정화를 완료한다.
도 10d와 같이, 상기 레이저 빔 패턴 마스크(100) 또는 기판이 장착된 스테이지를 이동시켜 상기 기판이 레이저 빔 패턴 마스크(100)에 대해 라인의 폭 길이 및 스페이스의 폭 길이의 1/n(n은 2이상)만큼 이동(④)시킨다.
이어, 상기 도 10a 내지 도 10d의 과정을 반복하여 기판의 전 영역에 대한 결정화를 진행하여 기판에 증착된 비정질 실리콘 박막을 폴리 실리콘층으로 형성한다.
여기서, 본 발명의 레이저 빔 패턴 마스크를 이용하여 결정화를 진행시, 레이저 빔 패턴간의 오버랩 영역은 도 10d에 표시된 오버랩 길이에 해당되는 부위이며, 이는 라인 상으로 발생되지 않고, 각 육각형 셀의 중심부간 오버랩 영역에 부분적으로 발생하고 있다.
따라서, 종래의 레이저 빔 패턴 마스크를 이용한 결정화 방법에 비해 레이저 빔의 조사 영역의 오버랩 영역이 상대적으로 작은 확률로 발생하게 되고, 소자 형성시 신뢰성 저하의 영향을 끼치는 그레인 바운더리(grain boundary)로 작용할만큼 길게 형성되지 않게 된다.
결국, 상술한 바와 같은, 레이저 빔 패턴의 형상 변경은 화소부에 있어서는 종래와 같이, 얇은 라인이 반복되어 므와레 패턴(moire pattern)의 영향을 끼치는 현상이 발생하지 않게 되어, 화질을 개선하게 되고, 구동부에 있어서는, 라인 형태의 그레인 바운더리의 형성을 제어하여 소자 신뢰성 저하의 요인을 막을 수 있게 된다.
도 11은 본 발명의 결정화 방법을 적용한 폴리 실리콘을 나타낸 SEM도이며, 도 12는 도 11의 확대도이다.
본 발명의 복수개의 육각형 셀이 접하여 이루어진 투과부를 복수개 라인으로 평행하게 구비하여 이루어진 레이저 빔 패턴 마스크를 이용하여 결정화 방법을 진행하게 되면, 도 11과 같이, 성장된 폴리 실리콘은 규칙적으로 배열된 그레인 성장이 관찰되며, 도 12와 같이, 종래 라인 상으로 결정화 패턴간 오버랩 발생하던 바에 비해 상대적으로 오버랩 영역이 덜 발생하게 되어, 도트(dot) 형상으로 그레인 바운더리 발생하게 된다.
따라서, 화소부에 있어서는 좁고 얇은 라인 패턴이 반복됨으로 인해 발생하는 므와레 패턴의 생성을 억제하여 화질을 개선하며, 구동부에 있어서는, 라인형의 그레인 바운더리에 의한 신뢰성 저하 현상을 방지할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 레이저 빔 패턴 마스크 및 이를 이용한 결정화 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 복수개의 육각형 셀이 접하여 이루어진 투과부를 복수개 라인으로 평행하게 구비하여 이루어진 레이저 빔 패턴 마스크를 이용하여 결정화 방법을 진행 하게 되면, 종래의 레이저 빔 패턴 마스크를 이용한 결정화 방법에 비해 상대적으로 레이저 빔의 조사 영역의 오버랩 영역이 작은 확률로 발생하게 되고, 소자 형성시 신뢰성 저하의 영향을 끼치는 그레인 바운더리(grain boundary)로 작용할만큼 길게 형성되지 않게 된다. 즉, 결정화시 형성되는 그레인 바운더리의 불균일도(roughness)가 개선되어, 도트(dot) 패턴으로 균일하게 형성된다.
둘째, 상술한 레이저 빔 패턴의 형상 변경은 화소부에 있어서는 종래와 같이, 얇은 라인이 반복되어 므와레 패턴(moire pattern)의 영향을 끼치는 현상이 발생하지 않게 되어, 화질을 개선하게 된다.
셋째, 상술한 레이저 빔 패턴의 형상 변경은 구동부에 있어서는, 라인 형태의 그레인 바운더리의 형성을 제어하고 도트 패턴으로 형성하여, 소자의 신뢰성을 개선할 수 있다. 즉, 소자의 문턱 전압(Vt) 특성이나, 내구성(endurance)이 향상되어 소자의 수명을 연장시킬 수 있다.
Claims (10)
- 세로 방향에서 일정 간격 이격하여 평행하게 형성된 복수개의 투과부와, 나머지 영역에 차단부를 구비한 레이저 빔 패턴 마스크에 있어서,상기 복수개의 투과부는 각각 서로 접한 홀수개의 육각형 셀이 가로 라인 선상으로 배치된 것을 특징으로 하는 레이저 빔 패턴 마스크.
- 제 1항에 있어서,상기 육각형 셀은 직사각형의 중심부; 및상기 중심부 양측으로부터 이등변 삼각형의 형상으로 돌출된 에지부를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 레이저 빔 패턴 마스크.
- 제 2항에 있어서,상기 중심부의 가로 길이는 상기 중심부 양측의 에지부의 가로 길이를 합한 길이와 같거나 보다 긴 것을 특징으로 하는 레이저 빔 패턴 마스크.
- 삭제
- 비정질 실리콘 박막이 증착된 기판을 준비하는 단계;상기 기판을 스테이지 상에 고정하는 단계;세로 방향에서 일정 간격 이격하여 평행하게 형성된 복수개의 투과부와, 나머지 영역에 차단부를 가지며, 상기 복수개의 투과부는 각각 서로 접한 홀수개의 육각형 셀이 가로 라인 선상으로 배치된 레이저 빔 패턴 마스크를 준비하는 단계; 및상기 기판의 전 영역에 상기 레이저 빔 패턴 마스크의 중심부가 모두 대응되도록 상기 스테이지를 이동하여, 결정화를 위한 레이저 빔 조사를 진행하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 결정화 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 육각형 셀은 직사각형의 중심부; 및상기 중심부 양측으로부터 이등변 삼각형의 형상으로 돌출된 에지부를 포함하여 형성한 것을 특징으로 하는 결정화 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 중심부의 가로 길이는 상기 중심부 양측의 에지부의 가로 길이를 합한 길이와 같거나 보다 긴 것을 특징으로 하는 결정화 방법.
- 삭제
- 제 5항에 있어서,상기 결정화를 위한 레이저 빔 조사는상기 레이저 빔 패턴 마스크의 각 투과부에 대응되어 기판상에 결정화되는 길이의 1/2만큼 상기 스테이지를 가로 이동시키며 조사하여 가로 방향의 결정화를 진행하는 제 1 단계;상기 레이저 빔 패턴 마스크의 소정의 투과부에서 다음 투과부까지의 길이의 1/n(n은 2이상)에 대응되는 기판 상의 길이만큼 상기 스테이지를 세로 이동하는 제 2 단계;상기 제 1 단계와 역방향으로, 상기 레이저 빔 패턴 마스크의 각 투과부에 대응되어 기판상에 결정화되는 길이의 1/2만큼 상기 스테이지를 가로 이동시키며 조사하여 가로 방향의 결정화를 진행하는 제 3 단계;상기 레이저 빔 패턴 마스크의 소정의 투과부에서 다음 투과부까지의 길이의 1/n(n은 2이상)에 대응되는 기판 상의 길이만큼 상기 스테이지를 세로 이동하는 제 4 단계;상기 제 1 내지 제 4 단계를 반복하여 조사하여 상기 기판 전면에 결정화를 진행하는 제 5 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 결정화 방법.
- 비정질 실리콘 박막이 증착된 기판을 준비하는 단계;상기 기판을 스테이지 상에 고정하는 단계;복수개의 투과부가 세로 방향으로 소정 간격 이격하여 평행하게 형성되며, 상기 복수개의 투과부는 서로 접한 육각형 셀이 홀수개 가로 라인 선상으로 배치된 레이저 빔 패턴 마스크를 준비하는 단계;상기 레이저 빔 패턴 마스크의 각 투과부에 대응되어 기판상에 결정화되는 길이의 1/2만큼 상기 스테이지를 가로 이동시키며 조사하여 가로 방향의 결정화를 진행하는 단계;상기 레이저 빔 패턴 마스크의 소정의 투과부에서 다음 투과부까지의 길이의 1/2에 대응되는 기판 상의 길이만큼 상기 스테이지를 세로 이동하는 단계;상기 스테이지를 가로 이동시키며 가로 방향의 결정화를 진행하는 단계와 역방향으로, 상기 레이저 빔 패턴 마스크의 각 투과부에 대응되어 기판상에 결정화되는 길이의 1/2만큼 상기 스테이지를 가로 이동시키며 조사하여 가로 방향의 결정화를 진행하는 단계; 및상기 레이저 빔 패턴 마스크의 소정의 투과부에서 다음 투과부까지의 길이의 1/2에 대응되는 기판 상의 길이만큼 상기 스테이지를 세로 이동하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 결정화 방법.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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