KR101168000B1 - 다결정 실리콘 형성 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

다결정 실리콘 형성 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 다결정 실리콘 형성 장치(100)는, 기판(10) 상에 형성된 비정질 실리콘을 열처리하여 다결정 실리콘을 형성하는 장치로서, 비정질 실리콘을 예열(pre-heating)하는 예열부(200); 예열부(200)에서 예열된 비정질 실리콘을 결정화 열처리하여 다결정 실리콘을 형성하는 열처리부(300); 및 열처리부(300)에서 형성된 다결정 실리콘을 냉각하는 냉각부(400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
결정화, 금속 유도 결정화, MIC, 예열, 냉각

Description

다결정 실리콘 형성 장치 및 방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING POLY-CRYSTALLINE SILICON AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 다결정 실리콘 형성 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 기판 상에 형성된 비정질 실리콘을 결정화 열처리하는 공정의 시간을 단축함으로써 생산성을 향상시킬 수 있는 다결정 실리콘 형성 장치 및 방법에 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 100 cm2/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 실리콘을 다결정화시키는 공 정이다. 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 실리콘을 형성하는 다양한 공정들이 제안되어 왔다.
이 중에서 금속유도 결정화(Metal Induced Crystallization; MIC)법 또는 금속유도 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.
금속유도 결정화법 또는 금속유도 측면 결정화법은 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, 금속유도 결정화법 또는 금속유도 측면 결정화법은 금속 오염으로 인한 누설 전류의 문제점을 기본적으로 가지고 있어서 금속 촉매의 도포 양을 가능한 작게 할 필요가 있기 때문에 결정화 열처리 시간이 더 증가하게 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 있었다.
한편, 금속 촉매의 도포는 주로 스퍼터링법 또는 PECVD법을 이용하여 상온 내지 200℃의 온도 범위 내에서 이루어진다. 이후, 비정질 실리콘의 결정화 열처 리는 주로 열처리 로(furnace)를 이용하여 600℃ 내지 800℃의 온도 범위 내에서 이루어진다. 이와 같이, 두 공정의 공정 온도 차이도 크기 때문에 급격한 온도 변화에 따라 LCD용 유리 기판이 열 충격(thermal shock)을 받아 손상되거나 변형되는 문제점이 있었다. 특히, 금속 촉매로 인한 누설 전류의 양을 적게 하기 위하여 금속 촉매를 적게 도포하는 경우 상대적으로 높은 온도까지 가열하여야 하기 두 공정의 공정 온도의 차이는 더 벌어질 수 있어서 유리 기판의 손상 또는 변형은 더 심각해질 수 있다.
또한, 비정질 실리콘의 결정화 열처리 공정을 수행하기 위해서는 기판의 히팅이 가능한 챔버 내의 보트에 기판을 로딩 및 언로딩하는 공정을 수행하여야 한다. 이때, 기판의 에지부만이 보트에 의하여 지지된다면 기판의 중간 부분이 처지면서 기판의 변형을 야기할 수 있기 때문에, 따라서 기판의 변형을 방지하기 위한 기판 홀더의 사용이 필수적으로 요구된다. 이를 위하여, 처음부터 기판 홀더에 기판이 안착된 상태에서 열처리 공정을 포함한 모든 공정을 수행하는 방법이 사용되었다. 그러나, 이와 같은 방법은 기판의 개수와 동일한 개수의 기판 홀더를 필요로 할뿐만 아니라, 기판 홀더가 필요치 않은 공정에도 기판 홀더를 사용하게 되어, 공정의 효율성을 저하시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 비정질 실리콘을 결정화 열처리하는 공정의 시간을 단축함으로써 결정화 공정의 생산성을 향상시킬 수 있는 다결정 실리콘 형성 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 비정질 실리콘이 형성된 기판을 예열하여 급격한 온도 변화에 따른 유리 기판의 손상 또는 변형을 최소화할 수 있는 다결정 실리콘 형성 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 기판 홀더의 사용이 필수적으로 요구되는 열처리 공정에만 기판 홀더가 사용되도록 함으로써 공정의 효율성을 향상시킬 수 있는 다결정 실리콘 형성 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 형성 장치는 기판 상에 형성된 비정질 실리콘을 열처리하여 다결정 실리콘을 형성하는 장치로서, 상기 비정질 실리콘을 예열(pre-heating)하는 예열부; 상기 예열부에서 예열된 상기 비정질 실리콘을 결정화 열처리하여 다결정 실리콘을 형성하는 열처리부; 및 상기 열처리부에서 형성된 상기 다결정 실리콘을 냉각하는 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 예열부에서 상기 비정질 실리콘을 예열하는 온도는 350℃ 내지 500℃일 수 있다.
상기 예열부에서 상기 비정질 실리콘을 예열하는 시간은 1 분 내지 1 시간일 수 있다.
상기 예열부는 불활성 가스 분위기 또는 진공 분위기 중 어느 하나를 유지할 수 있다.
상기 예열부는 상기 기판을 지지하는 기판 지지핀 및 기판 홀더를 지지하는 기판 홀더 지지핀을 포함하고, 상기 기판 홀더에는 상기 기판 지지핀이 관통하는 관통 홀이 형성될 수 있다.
상기 예열부에서 상기 기판은 기판 홀더와 분리된 상태로 예열될 수 있다.
상기 열처리부에서 상기 비정질 실리콘을 결정화 열처리하는 온도는 550℃ 내지 800℃일 수 있다.
상기 열처리부에서 상기 비정질 실리콘을 결정화 열처리 하는 시간은 5 분 내지 10 시간일 수 있다.
상기 열처리부는 불활성 가스 분위기 또는 진공 분위기 중 어느 하나를 유지할 수 있다.
상기 열처리부에서 상기 기판은 기판 홀더에 안착된 상태로 결정화 열처리될 수 있다.
상기 냉각부는 불활성 가스 분위기를 유지할 수 있다.
상기 예열부로부터 상기 열처리부로 상기 기판을 기판 홀더에 안착시킨 상태로 이송하는 제1 이송부를 더 포함할 수 있다.
상기 예열부로부터 상기 냉각부로 상기 기판을 이송하는 제2 이송부를 더 포 함할 수 있다.
그리고, 상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 형성 방법은 기판 상에 형성된 비정질 실리콘을 열처리하여 다결정 실리콘을 형성하는 방법으로서, (a) 상기 비정질 실리콘을 예열(pre-heating)하는 단계; (b) 상기 예열된 상기 비정질 실리콘을 결정화 열처리하여 다결정 실리콘을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 다결정 실리콘을 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계에서 상기 기판은 기판 홀더와 분리된 상태로 예열되고, 상기 (b) 단계에서 상기 기판은 기판 홀더에 안착된 상태로 결정화 열처리되며, 상기 (c) 단계에서 상기 기판만 냉각될 수 있다.
본 발명에 의하면, 비정질 실리콘을 결정화 열처리하는 공정의 시간을 단축함으로써 비정질 실리콘을 결정화하여 다결정 실리콘을 형성하는 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 비정질 실리콘이 형성된 기판을 예열하여 급격한 온도 변화에 따른 유리 기판의 손상 또는 변형을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 기판 홀더의 사용이 필수적으로 요구되는 열처리 공정에만 기판 홀더가 사용되도록 함으로써 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 이들 실시예는 당업자 가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.
따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 금속유도 결정화법 또는 금속유도 측면 결정화법으로 다결정 실리콘을 제조하는 경우에는 금속 촉매가 도포된 비정질 실리콘이 열처리된다. 고상 반응법으로 다결정 실리콘을 제조하는 경우에는 순수한 비정질 실리콘이 열처리된다. 본 발명에 따른 장치는 금속유도 결정화법, 금속유도 측면 결정화법, 고상 반응법 등에 의한 다결정 실리콘 제조시에 모두 적용될 수 있다. 다만 이하에서는 금속유도 결정화법 또는 금속유도 측면 결정화법을 예로 들어 설명하기로 한다.
또한, 본 발명은 비정질 실리콘을 열처리하여 다결정 실리콘을 형성하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 열처리 대상은 기판(10) 상에 형성된 비정질 실 리콘이 되어야 할 것이나, 이하에서는 기술상의 편의를 위하여 기판(10) 상에 형성된 비정질 실리콘을 예열 또는 열처리하는 것을 기판(10)을 예열 또는 열처리하는 것으로 표현하기로 한다. 따라서, 이하의 설명에서 기판(10)을 예열 또는 열처리하는 설명에는 경우에 따라서는 기판(10) 상에 형성된 비정질 실리콘을 예열 또는 열처리하는 의미로도 해석될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 실리콘 형성 장치(100)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 실리콘 형성 장치(100)는 소정의 온도까지 기판(10)을 예열(pre-heating)하는 예열부(200)를 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 예열부(200)는 기판(10)을 열처리하기에 앞서 소정의 온도까지 기판(10)을 예열하는 기능을 수행할 수 있는데, 이에 따라 기판(10)의 열처리 시간을 단축하여 결정화 공정의 생산성을 향상시키고 급격한 온도 변화에 따른 기판(10)의 변형을 방지할 수 있다. 이때, 예열부(200)에서 기판(10)을 예열하는 온도는 약 350℃ 내지 500℃인 것이 바람직하며, 예열하는 시간은 약 1 분 내지 1 시간인 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 예열부(200)의 구성을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 예열부(200)는 예열 챔버(210)를 포함하여 구성될 수 있다. 예열 챔버(210)는 공정이 수행되는 동안 실질적으로 내부 공간이 밀폐되도록 구성되어 기판(10)을 예열하기 위한 공간을 제공 하는 기능을 수행할 수 있다. 예열 챔버(210)는 최적의 공정 조건을 유지하도록 구성되며, 형태는 사각형 또는 원형의 형태로 제조될 수 있다. 예열 챔버(210)의 재질은 특별하게 제한되지 아니하며, 석영 유리 또는 일반적인 SUS 등이 사용될 수 있다.
다음으로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 예열부(200)는 예열 히터(220)를 포함하여 구성될 수 있다. 예열 히터(220)는 예열 챔버(210)의 내부 또는 외부에 설치되어 기판(10)을 소정의 온도에서, 바람직하게는 350℃ 내지 500℃의 온도에서 예열하는 기능을 수행할 수 있다. 예열 히터(220)의 종류는 특별하게 제한되지 아니하며, 기판(10)을 예열할 수 있는 것(예를 들면, 열선의 재질이 텅스텐인 할로겐 램프 또는 일반적인 칸탈(kanthal) 히터)이면 본 발명의 예열 히터(220)로서 채용될 수 있다.
다음으로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 예열부(200)는 예열 가스 공정부(230)를 포함하여 구성될 수 있다. 예열 가스 공정부(230)는 예열 공정에 필요한 가스를 공급하는 기능을 수행할 수 있다. 이러한 가스는 Ar, Ne, He, N2와 같은 불활성 가스일 수 있다. 또한, 예열부(200)는 별도의 가스 배기 수단(미도시)을 통하여 예열 공정 중에 진공 분위기를 유지할 수도 있다.
다음으로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 예열부(200)는 예열 기판 로딩부(240)를 포함하여 구성될 수 있다. 예열 기판 로딩부(240)는 기판(10)이 로딩되는 통로로서의 역할을 수행할 수 있다. 또한, 예열 기판 로딩 부(240)는 후술할 예열 기판 언로딩부(250)와 서로 대칭되는 구조를 가지는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 예열부(200)는 예열 기판 언로딩부(250)를 포함하여 구성될 수 있다. 예열 기판 언로딩부(250)는 예열된 기판(10)이 언로딩되는 통로로서의 역할을 수행할 수 있다. 이때, 후술하는 바와 같이, 기판(10)은 기판 홀더(700)에 안착된 상태로 제1 이송부(500)에 의하여 언로딩될 수 있다.
다음으로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 예열부(200)는 기판 지지핀(260)을 포함하여 구성될 수 있다. 기판 지지핀(260)은 예열 챔버(210) 내부에 설치되어 기판(10)을 지지하는 기능을 수행할 수 있다. 기판 지지핀(260)은 기판(10)을 보다 안정적으로 지지하기 위해서 4개 이상 설치 되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 예열부(200)는 기판 홀더 지지핀(270)을 포함하여 구성될 수 있다. 기판 홀더 지지핀(270)은 예열 챔버(210) 내부에 설치되어 기판 홀더(700)를 지지하는 기능을 수행할 수 있다. 기판 홀더 지지핀(270)은 기판 홀더(700)를 보다 안정적으로 지지하기 위하여 기판 지지핀(260)과 유사하게 4개 이상 설치되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 기판 지지핀(260) 및 기판 홀더 지지핀(270)은, 후술하는 제1 이송부(500) 및 제2 이송부(600)의 움직임에 방해가 되지 않도록 설치되는 것이 바람직 하다. 예를 들면, 후술하는 제1 이송부(500) 및 제2 이송부(600)가 기판 지지핀(260)의 사이에서 원활하게 움직일 수 있도록 기판 지지핀(260)은 기판(10)의 가장자리부 부근을 지지하도록 설치될 수 있다.
한편, 기판 홀더(700)에는 기판 지지핀(260)이 관통될 수 있도록 기판 지지핀(260)의 개수와 동일한 개수의 관통 홀(미도시)이 형성되어 있을 수 있다. 이 경우 기판 홀더(700)의 면적은 열처리 대상인 기판(10)의 면적보다 크게 하는 것이 바람직하며, 이렇게 될 때 기판(10)을 보다 용이하게 기판 홀더(700) 상에 안착시킬 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 예열부(200)에서 기판(10)은 기판 홀더(700)와 분리된 상태로 예열될 수 있다. 보다 구체적으로, 기판(10)이 기판 지지핀(260)에 의해서 지지되고 기판 홀더(700)가 기판 홀더 지지핀(270)에 의해서 지지됨으로써, 기판(10)은 기판 홀더(700)와 분리된 상태로 예열될 수 있다. 이처럼 기판(10)을 기판 홀더(700)와 분리하여 예열하는 것은 상대적으로 저온 공정인 예열 공정에서는 기판(10)이 기판 홀더(700) 상에 안착된 상태로 예열될 필요가 없는 점을 고려하여 공정의 효율성을 향상시키기 위함이다.
한편, 본 발명의 예열부(200)는, 도 2에 도시된 예열부(200)를 단위 예열부(200)로 하여, 복수개의 단위 예열부(200)가 층으로 배열된 형태로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 각 단위 예열부(200)는 독립적으로 구동되는 것이 바람직하며, 이에 따라 결정화 열처리 공정의 생산성은 더욱 향상될 수 있다.
다음으로, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 실리콘 형 성 장치(100)는 열처리부(300)를 포함하여 구성될 수 있다. 열처리부(300)는 기판(10) 상에 형성된 비정질 실리콘을 결정화 열처리하는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 열처리 온도는 다결정 실리콘을 원활하게 형성할 수 있는 550℃ 내지 800℃의 온도인 것이 바람직하다. 또한, 열처리 시간은 약 5 분 내지 10 시간인 것이 바람직하다.
한편, 도 1을 참조하면, 본 발명의 열처리부(300)가 두 개인 것으로 도시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 목적에 따라 열처리부(300)의 개수를 다양하게 변경할 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리부(300)의 구성을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리부(300)는 열처리 공간을 제공하는 직육면체 형상의 챔버(310)를 포함하여 구성될 수 있다. 챔버(310)의 일측에는, 예열부(200)와 유사하게, 챔버에 기판(10)을 로딩하기 위한 기판 로딩부 및 챔버로부터 기판(10)을 언로딩하기 위한 기판 언로딩부가 설치될 수 있다.
다음으로, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리부(300)는 히터(320)를 포함하여 구성될 수 있다. 히터(320)는 챔버(310)의 내부 또는 외부에 설치되어 기판(10)을 소정의 온도에서, 바람직하게는 550℃ 내지 800℃의 온도에서 열처리하는 기능을 수행할 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 히터(320)는 복수개의 메인 히터 유닛(321)으로 구 성되어 기판(10)의 적층 방향을 따라 일정 간격을 가지면서 배치될 수 있다. 이때, 기판(10)은 복수개의 메인 히터 유닛(321) 사이(바람직하게는, 메인 히터 유닛(321) 사이의 중앙)에 배치될 수 있다. 이에 따라, 기판(10)은 각 기판(10)에 대응하는 상측과 하측의 메인 히터 유닛(321)에 의해 가열되어 열처리될 수 있다.
이러한 경우, 메인 히터 유닛(321)은 기판(10)의 단변 방향과 평행하게 일정한 간격을 가지는 복수개의 단위 메인 히터(322)로 구성될 수 있다. 이러한 단위 메인 히터(322)는 통상적인 길이가 긴 봉형의 히터로서 석영관 내부에 발열체가 삽입되어 있고 양단에 설치된 단자를 통하여 외부의 전원을 인가 받아 열을 발생시키는 단위체일 수 있다.
또한, 기판(10)과 메인 히터 유닛(321) 사이는, 챔버(100)에서 기판 홀더(700)에 안착된 기판(10)을 로딩할 때, 후술할 제1 이송부(500)의 거동에 방해가 되지 않을 정도로 이격되어 있는 것이 바람직할 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리부(300)의 보트(330)의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리부(300)는 보트(330)를 포함하여 구성될 수 있다. 보트(330)는 챔버(310)의 내부에 설치되어 챔버(310)로 로딩된 기판(10)을 지지하는 기능을 수행할 수 있다. 보트(330)는 기판(10)의 장변측을 지지하도록 설치되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 보트(330)는 기판(10)의 양 장변측에 3 곳씩 기판(10) 하나당 모두 6 곳을 지지하는 형태로 되어 있으나, 이러한 보트(330)의 형태는 기판(10)의 안정적인 지지를 위하여 기판(10) 의 크기에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 보트(330)의 재질은 석영인 것이 바람직하다.
또한, 도 4를 참조하면, 기판(10)은 기판 홀더(700)에 탑재된 상태로 보트(330)에 로딩되는 것이 바람직하다. 열처리 과정 중에 열처리 온도가 글래스 기판의 연화(softening) 온도에 도달하면 기판 자체의 무게 때문에 기판의 아래 방향으로의 휨 현상이 발생하는데, 특히 이러한 휨 현상은 기판(10)이 대면적화 됨에 따라 더 큰 문제가 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 기판(10)은 기판 홀더(700)에 안착된 상태로 열처리가 진행한다. 이를 위하여, 후술할 제1 이송부(500)는 열처리부(300)로 기판(10)을 기판 홀더(700)에 안착된 상태에서 이송시킬 수 있다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리부(300)는 복수개의 열처리 가스 공급부(340)를 포함하여 구성될 수 있다. 열처리 가스 공정부(340)는 열처리 분위기를 조성하기 위한 열처리 가스를 챔버(310) 내부에 공급하는 기능을 수행한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 열처리 가스 공급부(340)는 열처리 가스를 배출하는 가스 구멍(341)이 복수개로 형성된 봉 형태로 구성될 수 있다. 열처리 가스 공급부(340)는 기판(10)의 장변측에 설치하는 것이 바람직하다. 열처리 가스는 Ar, Ne, He, N2와 같은 불활성 가스를 사용할 수 있다. 열처리 가스 공급부(340)의 반대편에는 챔버(310) 내의 열처리 가스를 챔버(310) 외부로 배출하는 열처리 가스 배출부(350)가 설치될 수 있다. 열처리 가스 배출부(350)는 열처리 가스 공급부(340)와 유사하게 열처리 가스를 흡입하는 가스 구멍(미도시)이 복수개로 형성된 봉 형태로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 열처리부(300)는, 도 3에 도시된 열처리부(300)를 단위 열처리부(300)로 하여, 복수개의 단위 열처리부(300)가 층으로 배열된 형태로 구성될 수 있다. 이러한 경우, 각 단위 열처리부(300)는 독립적으로 구동되는 것이 바람직하며, 이에 따라 결정화 열처리 공정의 생산성은 더욱 향상될 수 있다.
다음으로, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 실리콘 형성 장치(100)는 냉각부(400)를 포함하여 구성될 수 있다. 냉각부(400)는 열처리부(300)에서 열처리 과정이 완료된 다결정 실리콘이 형성된 기판(10)을 냉각하는 기능을 수행할 수 있다.
종래에는 비정질 실리콘의 결정화가 완료되면 히터 전원이 차단된 기판(10) 열처리부(300) 내에 기판(10)을 그대로 방치하여 기판(10)을 냉각시키거나, 열처리부(300)에서 기판(10)을 꺼내어 대기 중에 방치하여 냉각시키는 방식을 사용하였다. 그러나, 상술한 바와 같은 기판(10) 냉각 방식은 냉각 시간이 많이 소요되어 전체적인 생산성을 저하시키는 문제점이 있다. 본 발명의 다결정 실리콘 형성 장치(100)는 별도의 냉각부(400)를 구비하여 기판(10)의 냉각 속도를 종래 방식보다 빠르게 할 수 있다.
한편, 냉각부(400)는 열처리된 기판(10)을 냉각하는 것과는 별도로, 비정질 실리콘이 형성된 기판(10)이 로딩되는 입구로서의 역할을 수행할 수 있다. 이렇게 냉각부(400)에 로딩된 기판(10)은 후술하는 제1 이송부(500)에 의하여 예열부(200) 로 이송될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부(400)의 구성을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부(400)는 기본적으로 프레임(410)으로 구성된 구조체일 수 있다. 프레임(410) 내부에는 기판(10)의 신속한 냉각을 위하여 냉각수(미도시)가 흐를 수 있으며, 프레임(410) 상에는 냉각팬(미도시)이 장착되어 있을 수 있다. 즉, 본 발명의 기판 냉각부(400)는 수냉식과 공냉식을 혼합하여 기판(10)을 냉각할 수 있다. 또한, 예열부(200)와 유사하게, 냉각부(400)의 일측에는 냉각부(400)에 기판(10)을 로딩하기 위한 기판 로딩부 및 냉각부(400)로부터 기판(10)을 언로딩하기 기판 언로딩부가 설치될 수 있다.
다음으로, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부(400)는 지지핀(420)을 포함하여 구성될 수 있다. 지지핀(420)은 기판(10)이 냉각되는 동안 기판(10)을 지지하는 기능을 수행할 수 있다. 지지핀(420)은 4개 이상 설치되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부(400)는 냉각 가스 공급부(430)를 포함하여 구성될 수 있다. 냉각 가스 공급부(430)는 냉각부(400) 내부로 냉각용 가스를 공급하는 기능을 수행한다. 냉각용 가스는 Ar, Ne, He, N2와 같은 불활성 가스일 수 있다.
한편, 기판 홀더(700)는 고온의 열처리 공정에만 사용되는 유닛이므로 불필 요하게 냉각될 필요가 없다. 이러한 의미에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 기판(10)은 기판 홀더(700)와 분리되어 냉각될 수 있다. 이를 위하여, 제2 이송부(600)는 기판(10)만을 냉각부(400)로 이송할 수 있다.
한편, 도 5에서 본 발명의 냉각부(400)는 한 번에 한 개의 기판(10)을 처리하는 매엽식으로 되어 있으나, 이는 기술상의 편의를 위한 것이며, 복수개의 기판(10)을 동시에 처리할 수 있는 배치식으로 구성될 수도 있다.
다음으로, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 실리콘 형성 장치(100)는 제1 이송부(500)를 포함하여 구성될 수 있다. 제1 이송부(500)는 예열부(200)와 열처리부(300) 사이에서 기판(10)을 이송하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 제1 이송부(500)는 기판(10)이 기판 홀더(700)에 안착되어 이송되는 경우에 사용될 수 있다. 제1 이송부(500)에 의하여 기판(10)이 기판 홀더(700)에 안착된 상태로 이송이 이루어지는 과정은 이후에 상세하게 설명하기로 한다.
제1 이송부(500)는 상하 및 좌우 방향으로 이동 가능한 로봇 암을 포함하여 구성됨으로써 이송 동작을 원활하게 수행할 수 있다. 이를 위하여, 공지의 기판 트랜스퍼 로봇 암의 구성 원리가 제1 이송부(500)에 채용될 수 있을 것이다.
다음으로, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 실리콘 형성 장치(100)는 제2 이송부(600)를 포함하여 구성될 수 있다. 제2 이송부(600)는 예열부(200)와 냉각부(400) 사이에서 기판(10)을 이송하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 제2 이송부(600)는 기판 홀더(700) 없이 기판(10)만이 이송되는 경우에 사용될 수 있다. 제2 이송부(600)에 의하여 기판(10)의 이송이 이루어지는 과정은 이후에 상세하게 설명하기로 한다.
제2 이송부(600)는 상하 및 좌우 방향으로 이동 가능한 로봇 암을 포함하여 구성됨으로써 이송 동작을 원활하게 수행할 수 있다. 이를 위하여, 제1 이송부(500)와 유사하게, 공지의 기판 트랜스퍼 로봇 암의 구성 원리가 제2 이송부(600)에 채용될 수 있다.
이하에서는 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따라 기판(10)의 열처리가 이루어지는 과정을 설명하기로 한다. 본 발명의 예열부(200), 열처리부(300), 냉각부(400)는 복수개의 기판(10)을 동시에 처리할 수 있는 배치식으로 구성되는 것이 바람직할 것이나, 기술상의 편의를 위하여, 한 번에 한 개의 기판(10)을 처리하는 것으로 상정하여 설명한다.
먼저, 비정질 실리콘이 형성된 기판(10)이 냉각부(400)로 로딩된다. 이때 냉각부(400)는 본 발명의 다결정 실리콘 형성 장치(100)에 기판(10)이 처음으로 로딩되는 입구의 역할을 하는 것으로 볼 수 있다.
다음으로, 기판(10)이 제2 이송부(500)에 의하여 냉각부(400)에서 예열부(200)로 이송된다. 예열부(200) 이송된 기판(10)은 기판 지지핀(260)에 의하여 지지되는데, 이때 기판 홀더(700)는 기판 홀더 지지핀(270)에 의하여 지지되어 있는 상태이며, 기판 홀더(700)에는 기판 지지핀(260)이 관통될 수 있도록 관통 홀이 형성되어 있다.
다음으로, 기판(10)은 예열부(200)에서 소정의 온도까지 예열된다. 이때, 기판(10)은 기판 홀더(700)와 분리되어 예열된다.
다음으로, 예열부(200)에서 기판(10)의 예열이 완료되면, 제1 이송부(500)가 기판 홀더(700)의 하측에서 기판 홀더(700)를 기판 지지핀(260)의 높이 보다 높게 들어올려 기판 홀더(700) 상에 기판(10)을 안착시킨다. 이렇게 기판(10)은 기판 홀더(700) 상에 안착된 상태로 제1 이송부(500)에 의하여 열처리부(300)로 이송된다.
다음으로, 열처리부(300)는 기판(10)을 열처리한다. 이때 기판(10)은 기판 홀더(700)에 안착된 상태이며, 기판(10)에 형성된 비정질 실리콘은 결정화 열처리 된다.
다음으로, 기판(10)에 대한 열처리가 완료되면, 기판(10)은 제1 이송부(600)에 의하여 기판 홀더(700)에 안착된 상태로 예열부(200)로 이송된다. 이때, 제1 이송부(600)는 기판 홀더(700) 상에 안착된 기판(10)을 기판 지지핀(260)이 지지하도록 한다. 이에 따라, 기판(10)은 기판 홀더(700)의 관통홀을 관통한 기판 지지핀(260)에 의하여 지지되고. 기판 홀더(700)는 기판 홀더 지지핀(270)에 의하여 지지된다. 즉, 예열부(200)에서 기판(10)은 기판 홀더(700)와 분리된다.
다음으로, 제2 이송부(600)는 기판(10)(즉, 기판 지지핀(260)에 의하여 지지되고 있는 기판(10))을 냉각부(400)로 이송시키며, 냉각부(400)로 이송된 기판(10)은 소정의 온도까지 냉각되어 결정화 열처리 공정이 모두 완료된다.
상술한 바에 의하면, 하나의 기판(10)에 대하여 결정화 열처리가 이루어지는 과정을 기술하였으나, 실제로는 복수개의 기판(10)이 연속적으로 결정화 열처리가 이루어지며, 이를 위하여 본 발명의 다결정 실리콘 형성 장치(100)에 있어서 예열 부(200), 열처리부(300), 냉각부(400), 제1 이송부(500) 및 제2 이송부(600)의 개수는 적절하게 조절될 수 있음을 밝혀 둔다.
또한, 상술한 바에 의하면, 제1 이송부(500) 및 제2 이송부(600)를 구별하여 설명하였으나, 필요한 경우 동일한 구조를 갖는 이송부에 의하여 기판(10)만을 이송하거나 기판 홀더(700)에 안착된 기판(10)을 이송할 수 있음도 밝혀 둔다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 실리콘 형성 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 예열부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리부의 보트의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부의 구성을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 기판
100: 다결정 실리콘 형성 장치
200: 예열부
210: 예열 챔버
220: 예열 히터
230: 예열 가스 공정부
240: 예열 기판 로딩부
250: 예열 기판 언로딩부
260: 기판 지지핀
270: 기판 홀더 지지핀
300: 열처리부
310: 챔버
320: 히터
321: 메인 히터 유닛
322: 단위 메인 히터
330: 보트
340: 열처리 가스 공급부
341: 가스 구멍
350: 열처리 가스 배출부
400: 냉각부
410: 냉각부 프레임
420: 기판 지지핀
430: 냉각 가스 공급부
500: 제1 이송부
600: 제2 이송부
700: 기판 홀더

Claims (15)

  1. 기판 상에 형성된 비정질 실리콘을 열처리하여 다결정 실리콘을 형성하는 장치로서,
    상기 비정질 실리콘을 예열(pre-heating)하는 예열부;
    상기 예열부에서 예열된 상기 비정질 실리콘을 결정화 열처리하여 다결정 실리콘을 형성하는 열처리부; 및
    상기 열처리부에서 형성된 상기 다결정 실리콘을 냉각하는 냉각부
    를 포함하며,
    상기 예열부는 상기 기판을 지지하는 기판 지지핀 및 기판 홀더를 지지하는 기판 홀더 지지핀을 포함하고, 상기 기판 홀더에는 상기 기판 지지핀이 관통하는 관통 홀이 형성되며, 상기 예열부에서 상기 기판은 기판 홀더와 분리된 상태로 예열되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 예열부에서 상기 비정질 실리콘을 예열하는 온도는 350℃ 내지 500℃인 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 예열부에서 상기 비정질 실리콘을 예열하는 시간은 1 분 내지 1 시간인 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 예열부는 불활성 가스 분위기 또는 진공 분위기 중 어느 하나를 유지하 는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열처리부에서 상기 비정질 실리콘을 결정화 열처리하는 온도는 550℃ 내지 800℃인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열처리부에서 상기 비정질 실리콘을 결정화 열처리 하는 시간은 5 분 내지 10 시간인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열처리부는 불활성 가스 분위기 또는 진공 분위기 중 어느 하나를 유지하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열처리부에서 상기 기판은 기판 홀더에 안착된 상태로 결정화 열처리되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는 불활성 가스 분위기를 유지하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 예열부로부터 상기 열처리부로 상기 기판을 기판 홀더에 안착시킨 상태로 이송하는 제1 이송부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 예열부로부터 상기 냉각부로 상기 기판을 이송하는 제2 이송부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 기판 상에 형성된 비정질 실리콘을 열처리하여 다결정 실리콘을 형성하는 방법으로서,
    (a) 상기 비정질 실리콘을 예열(pre-heating)하는 단계 - 상기 기판은 기판 지지핀에 의해 지지되어, 기판 홀더 지지핀에 지지된 기판 홀더와 분리된 상태로 예열됨 -;
    (b) 상기 예열된 상기 비정질 실리콘을 결정화 열처리하여 다결정 실리콘을 형성하는 단계 - 상기 기판은 상기 기판 홀더에 안착된 상태로 결정화 열처리됨 -; 및
    (c) 상기 다결정 실리콘을 냉각하는 단계 - 상기 기판은 상기 기판 홀더와 분리되어 상기 기판만 냉각됨 -
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 삭제
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