KR102285441B1 - 화이버 레이저와 폴리곤 스캐너를 이용한 실리콘 박막 결정화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 베이스 기판에 형성되는 적어도 1개의 소자 영역에 증착되는 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 방법이며, 화이버 레이저가 레이저 빔을 발진하여 폴리곤 스캐너로 전송하는 과정 및 상기 폴리곤 스캐너가 상기 소자 영역을 포함하는 영역에 상기 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 과정을 포함하며, 상기 레이저 빔은 유사 연속파 특성을 갖는 실리콘 박막 결정화 방법을 개시한다.
Description
본 발명은 화이버 레이저와 폴리곤 스캐너를 이용하여 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 방법에 관한 것이다.
평판 패널 디스플레이 장치에 사용되는 평판 기판은 유리 기판 또는 플렉서블 기판과 같은 베이스 기판의 표면에 비정질 실리콘 박막이 증착된 후에 결정화되고, 다양한 소자가 구현되어 형성된다. 상기 베이스 기판은 1개 또는 적어도 2개의 소자 영역으로 구분될 수 있으며, 각 소자 영역에 비정질 실리콘 박막이 증착된다.
상기 비정질 실리콘 박막은 레이저 빔 조사 방식 또는 가열 방식등에 의하여 결정화된다. 상기 레이저 빔 조사 방식은 일반적으로 엑시머 레이저를 조사하는 실리콘 박막 결정화 장치를 사용한다. 상기 실리콘 박막 결정화 장치는 엑시머 레이저 빔을 광학 모듈을 이용하여 면광 형태로 변경한 후 베이스 기판의 비정질 실리콘 박막에 조사하여 결정화를 진행한다. 상기 실리콘 박막 결정화 장치는 엑시머 레이저를 조사하여 비정질 실리콘 박막을 융점 이상의 온도에서 완전 용융시킨 후에 재결정화를 통하여 다결정 실리콘 박막을 형성한다. 따라서, 상기 다결정 실리콘 박막은 결정립계(grain boundary)에 비정상적인 돌출 상(protrusion phase)가 형성되어, 소자의 특성을 저하시키고 평판 디스플레이 장치의 해상도를 저하시킬 수 있다.
또한, 상기 엑시머 레이저를 사용하는 실리콘 박막 결정화 장치는 스캔 속도를 증가시키는데 한계가 있어 공정 시간이 많이 소요되고 택 타임(Tact Time)이 증가되는 측면이 있다. 또한, 상기 실리콘 박막 결정화 장치는 스캔 속도가 늦은 관계로 레이저 빔을 중첩시켜 조사하는데 한계가 있으므로 결정화 온도의 균일도가 낮은 측면이 있다. 또한, 상기 실리콘 박막 결정화 장치는 엑시머 레이저를 사용하므로 상대적으로 고가이며, 유지 보수가 용이하지 않고 운전 비용이 높은 측면이 있다.
본 발명은 폴리곤 스캐너를 이용하여 유사 연속파 방식으로 화이버 레이저를 조사하여 비정질 실리콘 박막을 결정질 실리콘 박막으로 결정화하는 폴리곤 스캐너를 이용한 실리콘 박막 결정화 방법에 관한 것이다.
본 발명의 폴리곤 스캐너를 이용한 실리콘 박막 결정화 방법은 베이스 기판에 형성되는 적어도 1개의 소자 영역에 증착되는 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 방법으로, 화이버 레이저가 레이저 빔을 발진하여 폴리곤 스캐너로 전송하는 과정 및 상기 폴리곤 스캐너가 상기 소자 영역을 포함하는 영역에 상기 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 과정을 포함하며, 상기 레이저 빔은 유사 연속파 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 빔은 nsec 단위의 조사 시간과 nsec 단위를 가지며, 상기 조사 시간보다 긴 휴지 시간을 포함하는 펄스 레이저이며, 10 ~ 200MHz의 주파수를 가질 수 있다.
또한, 상기 폴리곤 스캐너는 상기 소자 영역의 일측에서 타측으로 레이저 빔을 조사하여 상기 소자 영역의 폭보다 큰 길이를 갖는 스캔 라인을 형성하고, 상기 스캔 라인에 수직한 방향으로 전진한 후에 상기 소자 영역의 일측에서 타측으로 상기 레이저 빔을 조사하여 상기 소자 영역의 폭보다 큰 길이를 갖는 스캔 라인을 형성할 수 있다.
또한, 상기 스캔 라인의 레이저 스팟은 상기 스캔 라인 방향으로 인접하는 레이저 스팟과 중첩되며, 상기 스캔 라인은 전에 형성된 상기 스캔 라인과 중첩되도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 베이스 기판은 적어도 2개의 소자 영역이 폭 방향으로 이격되어 배치되고 상기 소자 영역 사이에 비소자 영역이 형성되며, 상기 폴리곤 스캐너는 일측의 상기 소자 영역부터 타측의 소자 영역으로 상기 레이저 빔의 조사를 완료하고, 상기 스캔 라인에 수직한 방향으로 소정 길이로 이동한 후에 다시 일측의 상기 소자 영역부터 타측의 소자 영역으로 사이 레이저 빔을 조사를 진행할 수 있다.
또한, 상기 폴리곤 스캐너 모듈은 복수 개의 상기 폴리곤 스캐너가 상기 베이스 기판의 폭 방향으로 배열되며, 상기 폴리곤 스캐너는 상기 베이스 기판의 폭 방향으로 상기 레이저가 빔이 조사되지 않는 영역이 없도록 인접하는 상기 폴리곤 스캐너와 전후 방향으로 엇갈리면서 배열될 수 있다.
또한, 상기 폴리곤 스캐너는 복수 개가 동시에 상기 레이저 빔을 조사하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 폴리곤 스캐너는 상기 스캔 라인을 따라 상기 레이저 빔을 조사할 때는 상기 스캔 라인이 형성되는 방향으로 이동하지 않을 수 있다.
또한, 상기 베이스 기판은 유리 기판 또는 플렉서블 기판일 수 있다.
본 발명의 폴리곤 스캐너를 이용한 실리콘 박막 결정화 방법은 화이버 레이저에서 발진되는 레이저 빔을 유사 연속파 방식으로 비정질 실리콘 박막에 조사하여, 비정질 실리콘 박막의 융점 이하의 온도에서 결정화를 진행하므로 결정립계에 돌출 상이 형성되는 것을 최소화하고 결정성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 폴리곤 스캐너를 이용한 실리콘 박막 결정화 방법은 레이저 스팟의 조사 회수와 레이저 스팟의 피치 및 스캔 속도의 조절이 용이하므로 실리콘 박막의 결정화 온도 조절이 용이하고, 공정 시간을 단축시켜 공정 비용을 감소시키는 효과가 있다.
또한 본 발명의 폴리곤 스캐너를 이용한 실리콘 박막 결정화 방법은 폴리곤 스캐너를 스캔 라인 방향으로 이동시키지 않고 스캔 라인에 수직한 방향으로 이동시키면서 베이스 기판에 레이저 빔을 조사하므로 대면적의 베이스 기판에 증착되어 있는 비정질 실리콘 박막에 대한 결정화가 용이하고 스캔 라인의 균일성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 폴리곤 스캐너를 이용한 실리콘 박막 결정화 방법은 폴리곤 스캐너의 이동 방향에 수직인 방향을 따라 유사 연속파 방식으로 레이저 빔을 조사하면서 결정화하므로, 대면적의 베이스 기판에 배열되어 있는 소자 영역의 비정질 실리콘 박막에 대한 선택적인 결정화가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 폴리곤 스캐너를 이용한 실리콘 박막 결정화 방법은 베이스 기판의 전체 폭에 복수 개의 폴리곤 스캐너를 배열하여 동시에 레이저 빔을 조사함으로써 폴리곤 스캐너를 스캔 라인 방향으로 이동시킬 필요가 없으므로 스캔 라인의 균일성과 가열 온도의 균일성이 증가되며, 실리콘 박막의 결정성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 박막 결정화 방법에 사용되는 실리콘 박막 결정화 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에서 폴리곤 스캐너의 레이저 빔의 조사 방향에 대한 구성도이다.
도 3은 도 1에서 텔레센트릭 방식에 의하여 화이버 레이저의 레이저 빔을 조사하는 폴리곤 스캐너의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 박막 결정화 장치의 구성도이다.
도 5는 도 4의 실리콘 박막 결정화 장치의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실리콘 박막의 결정화 방법에서 도 1의 레이저 모듈에서 발진되는 레이저 빔의 파형도이다.
도 7은 본 발명의 실리콘 박막 결정화 방법에서 레이저 빔에 의하여 형성되는 레이저 스팟과 스캔 라인의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 실리콘 박막 결정화 방법에서 복수 개의 소자 영역이 형성된 베이스 기판에 스캔 라인을 형성하는 구성도이다.
도 2는 도 1에서 폴리곤 스캐너의 레이저 빔의 조사 방향에 대한 구성도이다.
도 3은 도 1에서 텔레센트릭 방식에 의하여 화이버 레이저의 레이저 빔을 조사하는 폴리곤 스캐너의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 박막 결정화 장치의 구성도이다.
도 5는 도 4의 실리콘 박막 결정화 장치의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실리콘 박막의 결정화 방법에서 도 1의 레이저 모듈에서 발진되는 레이저 빔의 파형도이다.
도 7은 본 발명의 실리콘 박막 결정화 방법에서 레이저 빔에 의하여 형성되는 레이저 스팟과 스캔 라인의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 실리콘 박막 결정화 방법에서 복수 개의 소자 영역이 형성된 베이스 기판에 스캔 라인을 형성하는 구성도이다.
이하에서 실시예와 첨부된 도면을 통하여 본 발명의 폴리곤 스캐너를 이용한 실리콘 박막 결정화 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리곤 스캐너를 이용한 실리콘 박막 결정화 방법에 사용되는 실리콘 박막 결정화 장치에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 박막 결정화 방법에 사용되는 실리콘 박막 결정화 장치의 구성도이다. 도 2는 도 1에서 폴리곤 스캐너의 레이저 빔의 조사 방향에 대한 구성도이다. 도 3은 도 1에서 텔레센트릭 방식에 의하여 화이버 레이저의 레이저 빔을 조사하는 폴리곤 스캐너의 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폴리곤 스캐너를 이용한 실리콘 박막 결정화 방법을 위한 실리콘 박막 결정화 장치(100)는, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 기판 지지판(110)과 레이저 모듈(120) 및 폴리곤 스캐너(130)를 포함하여 형성된다.
상기 실리콘 박막 결정화 장치는 레이저 모듈(120)이 레이저 빔을 폴리곤 스캐너(130)로 전송하며, 폴리곤 스캐너(130)가 기판 지지판(110)의 상면에 안착되는 베이스 기판(10)의 일측에서 타측으로 스캔 라인을 형성하면서 레이저 빔을 조사한다. 여기서, 상기 스캔 라인은 폴리곤 스캐너(130)가 베이스 기판(10)의 일측에서 타측으로 레이저 빔을 중첩하여 조사함으로써 베이스 기판(10)의 상면에 레이저 스팟(20)에 의하여 형성되는 라인을 의미한다.
한편, 본 발명의 폴리곤 스캐너를 이용한 실리콘 박막 결정화 방법은 다양한 구성을 갖는 결정화 장치에 의하여 구현될 수 있다.
상기 실리콘 박막 결정화 장치(100)는 구체적으로 도시하지는 않았지만, 내부가 중공이며 열처리 분위기가 형성되는 공정 챔버를 구비하며, 공정 챔버의 내부에 기판 지지판(110)과 폴리곤 스캐너(130)가 위치한다. 또한, 상기 공정 챔버의 외부에는 레이저 모듈(120)이 위치할 수 있다.
또한, 상기 실리콘 박막 결정화 장치(100)는 복수 개의 공정 챔버가 서로 인접하여 설치되고 각각의 공정 챔버의 내부에 각각 폴리곤 스캐너(130)가 위치하도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 폴리곤 스캐너(130)에 각각의 레이저 모듈(120)이 연결될 수 있다. 이때, 상기 베이스 기판(10)은 별도의 기판 지지판(110)에 안착되어 기판 지지판(110)과 함께 별도의 이송 수단(예를 들면 롤러)에 의하여 각 공정 챔버로 이송될 수 있다. 상기 실리콘 박막 결정화 장치(100)는 인라인 장치의 구조로 형성될 수 있다. 따라서 상기 실리콘 박막 결정화 장치(100)는 각각의 공정 챔버에 위치하는 폴리곤 스캐너(130)와 레이저 모듈(120)을 다른 조건으로 설정함으로써 비정질 실리콘 박막을 결정화하고 추가적인 열처리를 진행할 수 있다.
상기 실리콘 박막 결정화 장치(100)는 유리 기판 또는 플렉서블 기판과 같은 베이스 기판(10)에 증착되는 비정질 실리콘 박막을 결정질 실리콘 박막으로 결정화하는 장치이다.
상기 비정질 실리콘 박막 결정화 장치(100)는 폴리곤 스캐너(130)를 이용하여 레이저 빔을 텔레센트릭 방식으로 스캔하면서 조사하므로 레이저 스팟(20)의 형상과 크기를 스캔 라인의 위치에 관계없이 일정하게 형성하며 가열 온도를 균일하게 한다. 또한, 상기 비정질 실리콘 박막 결정화 장치(100)는 폴리곤 스캐너(130)를 스캔 라인 방향으로 이동시킬 필요가 없으므로, 베이스 기판(10)의 전체 면적에서 스캔 라인의 직선성과 이에 따른 가열 온도의 균일성을 증가시킨다. 또한, 상기 비정질 실리콘 박막 결정화 장치(100)는 베이스 기판(10)이 고정된 상태에서 폴리곤 스캐너(130)가 스캔 라인에 수직인 방향으로 전후진하여 이동하면서 레이저 빔을 조사할 수 있다. 또한, 상기 비정질 실리콘 박막 결정화 장치(100)는 폴리곤 스캐너(130)가 고정된 상태에서 베이스 기판(10)이 스캔 라인에 수직한 방향으로 전후진하면서 이동할 수 있다.
상기 베이스 기판(10)은 유기 발광 표시 모듈, 액정 표시 모듈, 엘이디(LED) 모듈 또는 태양전지 모듈과 같은 모듈에 적용되는 평판 기판을 구성한다. 상기 평판 기판은 베이스 기판(10)과 베이스 기판(10)의 표면에 형성되는 액티브층, 배선층, 박막 트랜지스터 어레이 및 화소 어레이와 같은 회로층 또는 회로 소자를 포함한다.
상기 베이스 기판은 유리 기판 또는 플렉서블 기판으로 형성된다. 상기 플렉서블 기판은 PET(Polyethylene terephthalate) 필름, PP(Polypropylene) 필름, PE(Polyethylene) 필름, PI(Polyimide) 필름, PS(Polystyrene) 필름, PC(Polycarbonate) 필름, PEN(Polyethylene Naphthalate) 필름, COC(Cyclic olefin Copolymer) 필름 또는 Acryl 필름중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 베이스 기판(10)은 상면에 1개 또는 적어도 2개의 소자 영역(10a)이 형성되며, 소자 영역(10a)에는 비정질 실리콘 박막이 증착된다. 상기 소자 영역(10a)은 더 작은 영역인 서브 소자 영역으로 구분되어 형성될 수 있다. 상기 소자 영역(10a)은 비정질 실리콘 박막이 결정화된 후에 평판 디스플레이 장치의 작동에 필요한 다양한 소자가 구현된다. 한편, 상기 베이스 기판에 증착된 비정질 실리콘 박막은 소자 영역으로 구분되지 않고 전체가 소자 영역으로 형성될 수 있다. 상기 베이스 기판(10)과 소자 영역(10a)에 형성된 다양한 소자는 평판 디스플레이 장치의 평판 기판을 형성한다.
상기 기판 지지판(110)은 상면에 안착되는 베이스 기판(10)보다 큰 면적을 갖는 판상으로 형성된다. 상기 기판 지지판(110)은 상면에 안착되는 베이스 기판(10)을 고정하기 위한 척킹 수단(미도시)을 구비하여 형성될 수 있다. 상기 기판 지지판(110)은 평판 디스플레이 장치를 위한 베이스 기판의 실리콘 박막을 결정화하는데 사용되는 일반적인 기판 지지판으로 형성될 수 있다.
상기 레이저 모듈(120)은 적외선 대역, 가시광선 대역 또는 자외선 대역의 레이저 빔을 발진하는 화이버 레이저를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 레이저 모듈(120)은 외부로 레이저 빔을 전달하는 출력 파이버를 포함하여 형성된다. 상기 레이저 모듈(120)은 출력 화이버를 통하여 폴리곤 스캐너(130)와 연결되어 레이저 빔을 전송하므로, 전송 과정에서 레이저 빔의 손실을 최소화할 수 있다. 상기 화이버 레이저는 광 펌핑이 진행되는 레이저 다이오드와 레이저 발진기 작용을 하는 화이버 브래그 그레이팅(Fiber Bragg Gating)을 포함하여 형성된다. 상기 화이버 레이저는 적외선 대역 또는 가시광선 대역 또는 자외선 대역의 레이저 빔을 발진 및 조사하도록 형성될 수 있다. 상기 화이버 레이저는 가시광선 대역의 경우에 그린 색상 대역의 레이저 빔을 발진한다. 상기 화이버 레이저는 바람직하게는 532nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 발진하여 조사한다. 또한, 상기 화이버 레이저는 자외선 대역의 레이저 빔을 발진 및 조사하도록 형성될 수 있다. 상기 화이버 레이저는 비정질 실리콘 박막의 결정화 온도와 결정화 시간에 따라 적정한 파장 대역의 레이저 빔을 발진하도록 형성될 수 있다.
상기 화이버 레이저는 레이저 빔의 조사 시간과 휴지 시간을 조절하여 적정한 주파수를 갖도록 설정될 수 있다. 예를 들면, 상기 화이버 레이저의 레이저 빔은 10 ~ 200 MHz의 주파수를 갖는 레이저 빔으로 조사될 수 있다. 여기서, 상기 레이저 빔의 주파수는 정해진 시간 간격에 조사되는 레이저 빔의 회수를 의미한다. 또한, 상기 화이버 레이저는 조사 시간과 휴지 시간이 nsec의 시간 단위로 조절하여, 하나의 레이저 스팟(20)에 조사되는 레이저 빔의 조사 회수와 인가되는 에너지의 양을 조절할 수 있다. 상기 화이버 레이저의 레이저 빔은 피크를 갖는 펄스 레이저이지만, 조사 시간과 휴지 시간을 조절하여 유사 연속파(Quasi-Continuous Wave)의 특성을 갖는 레이저 빔을 조사할 수 있다. 따라서, 상기 화이버 레이저는 레이저 빔의 조사 회수를 조절하여 비정질 실리콘 박막의 가열 온도를 조절할 수 있다.
또한, 상기 화이버 레이저는 레이저 스팟(20) 별로 온-오프가 가능하여 위치별로 선택적으로 레이저 빔을 조사할 수 있다. 따라서, 상기 화이버 레이저는 비정질 실리콘 박막의 미세한 위치별로 선택적인 열처리가 가능하다.
상기 폴리곤 스캐너(130)는 텔레센트릭 방식으로 레이저 빔을 스캔하면서 조사하는 스캐너이다. 상기 폴리곤 스캐너(130)는 기판 지지판(110)의 상부에 안착되는 베이스 기판(10)의 상부에 위치한다. 한편, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 기판 지지판(110)의 구조에 따라 베이스 기판(10)의 하부에 위치할 수 있다. 상기 폴리곤 스캐너(130)는 레이저 모듈(120)과 연결되며, 레이저 모듈(120)에서 전송되는 레이저 빔을 베이스 기판(10)의 상면 또는 하면에 스캔 라인을 형성하면서 조사한다. 상기 폴리곤 스캐너(130)는 스캔 라인의 수직 방향을 기준으로 후측으로 소정 각도 기울어진 방향으로 레이저를 조사하도록 형성된다. 상기 폴리곤 스캐너(130)가 스캔 라인에 수직 방향으로 레이저를 조사하는 경우에, 폴리곤 스캐너(130)는 반사되는 레이저에 의하여 손상될 수 있다.
상기 폴리곤 스캐너(130)는 베이스 기판(10)의 일측에서 타측으로 레이스 스팟(20)에 의한 스캔 라인으로 형성하면서 레이저 빔을 조사한다. 상기 폴리곤 스캐너(130)는 베이스 기판(10)에 형성되는 소자 영역(10a)의 폭보다 큰 길이로 스캔 라인을 형성한다. 이때, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 스캔 라인이 형성되는 방향으로 이동하지 않는다. 상기 스캔 라인은 균일한 직선 라인으로 형성되며, 스캔 라인을 형성하는 레이저 스팟(20)은 인접하는 레이저 스팟(20)과 중첩 면적이 균일해진다. 따라서, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 비정질 실리콘 박막의 가열 온도가 균일하게 되도록 한다. 또한, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 스캔 라인을 따라 빠른 속도로 레이저 빔을 조사하여 비정질 실리콘 박막을 가열하므로 공정 시간을 단축시킨다. 또한, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 레이저 스팟(20) 별로 온-오프 조사가 가능하여 비정질 실리콘 박막의 위치별로 선택적으로 레이저 빔을 조사할 수 있다. 있다. 따라서, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 비정질 실리콘 박막의 위치별로 선택적인 열처리가 가능하다.
또한, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 스캔 라인의 전체 영역에서 스캔 라인과 직각 방향으로 상부에서 레이저 빔을 조사하여 전체 레이저 스팟(20)이 균일하게 형성되도록 한다. 즉, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 스캔 라인에서 위치에 관계없이 레이저 스팟(20)의 형상과 크기를 균일하게 형성한다.
상기 폴리곤 스캐너(130)는 스캔 라인과 수직한 방향인 전후 방향으로 일정한 길이로 전진한 후에 일측에서 타측으로 스캔 라인을 형성하면서 레이저 빔을 조사한다. 또한, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 역시 스캔 라인 방향으로 이동하지 않으므로 전후 방향으로 서로 인접하는 스캔 라인의 레이저 스팟(20)들이 균일하게 중첩되도록 한다.
상기 폴리곤 스캐너(130)는 비정질 실리콘 박막의 가열 온도를 조절하기 위하여 레이저 스팟(20)의 직경에 따라 스캔 속도와 스팟 피치를 적절하게 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 스캔 속도를 천천히 하여 스캔 라인에서 서로 인접하는 레이저 스팟(20)의 중첩되는 면적을 조절할 수 있다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 박막 결정화를 위한 다른 구조의 폴리곤 스캐너를 이용한 실리콘 박막 결정화 장치에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 박막 결정화 장치의 구성도이다. 도 5는 도 4의 실리콘 박막 결정화 장치의 평면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 폴리곤 스캐너를 이용한 실리콘 박막 결정화 장치(200)는, 도 4 및 도 5를 참조하면, 기판 지지판(110)과 레이저 모듈(120) 및 폴리곤 스캐너 모듈(230)을 포함하여 형성된다.
상기 실리콘 박막 결정화 장치(200)는 구체적으로 도시하지는 않았지만, 내부가 중공이며 열처리 분위기가 형성되는 열처리 챔버를 구비하며, 열처리 챔버의 내부에 기판 지지판(110)과 폴리곤 스캐너 모듈(230)이 위치한다. 또한, 상기 열처리 챔버의 외부에는 레이저 모듈(120)이 위치할 수 있다.
상기 기판 열처리 장치(200)는 베이스 기판(10)의 표면에 형성되는 적어도 1개의 소자 영역(10a)의 폭이 폴리곤 스캐너 모듈을 구성하는 폴리곤 스캐너(130)의 폭보다 큰 경우에 비정질 실리콘 박막의 결정화를 위하여 사용될 수 있다. 한편, 상기 베이스 기판에 증착되는 비정질 실리콘 박막은 복수 개의 소자 영역으로 구분되어 형성되지 않고 전체가 하나의 소자 영역으로 형성될 수 있다.
상기 폴리곤 스캐너 모듈(230)는 적어도 1 개의 폴리곤 스캐너(130)를 포함하여 형성된다. 여기서, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 도 1 내지 도 3의 폴리곤 스캐너(130)와 동일한 구성으로 형성된다. 상기 폴리곤 스캐너 모듈(230)은 바람직하게는 적어도 베이스 기판(10)의 폭에 대응되는 폭의 스캔 라인을 형성하는 개수로 형성된다. 예를 들면, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 300mm의 스캔 라인을 형성할 수 있으며, 베이스 기판(10)은 폭이 900mm인 경우에, 폴리곤 스캐너 모듈(230)은 3개의 폴리곤 스캐너(130)로 형성될 수 있다. 상기 폴리곤 스캐너 모듈(230)은 복수 개의 폴리곤 스캐너(130)가 베이스 기판(10)의 폭 방향으로 배열되어 형성된다. 또한, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 베이스 기판(10)의 폭 방향으로 배열된 소자 영역(10a)에 레이저 빔이 조사되지 않는 영역이 없도록 배치된다. 따라서, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 인접하는 폴리곤 스캐너(130)와 전후 방향으로 엇갈리면서 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 베이스 기판(10)에 형성된 소자 영역(10a)의 이격 거리가 있는 경우에 폴리곤 스캐너(130)도 폭 방향으로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 폴리곤 스캐너 모듈(230)은 각각의 폴리곤 스캐너(130)가 동시에 레이저를 조사하도록 형성된다. 따라서, 상기 폴리곤 스캐너 모듈(230)은 베이스 기판(10)의 전체 폭에 대하여 레이저 빔을 조사하는 시간을 단축할 수 있다.
상기 폴리곤 스캐너 모듈(230)은 베이스 기판(10)의 폭 방향으로 하나의 스캔 라인을 형성한 후에는 스캔 라인에 수직한 방향으로 소정 길이로 이동한다. 상기 폴리곤 스캐너 모듈(230)은 베이스 기판(10)의 후측에 먼저 형성된 스캔 라인과 소정 길이로 중첩되도록 레이저 빔을 조사한다. 상기 폴리곤 스캐너 모듈(230)은 상기와 같은 방식으로 베이스 기판(10)의 전제 면적에 대하여 레이저 빔을 조사하여 열처리한다.
다음은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘 박막 결정화 방법에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 실리콘 박막의 결정화 방법에서 도 1의 레이저 모듈에서 발진되는 레이저 빔의 파형도이다. 도 7은 본 발명의 실리콘 박막 결정화 방법에서 레이저 빔에 의하여 형성되는 레이저 스팟과 스캔 라인의 평면도이다. 도 8은 본 발명의 실리콘 박막 결정화 방법에서 복수 개의 소자 영역이 형성된 베이스 기판에 스캔 라인을 형성하는 구성도이다.
평판 디스플레이 장치의 평판 기판에 사용되는 베이스 기판(10)은 상면에 1개의 소자 영역(10a) 또는 적어도 2개의 소자 영역(10a)이 형성된다. 상기 소자 영역(10a)은 평판 디스플레이의 종류에 따라 소정의 면적을 갖도록 결정된다. 따라서, 상기 베이스 기판(10)은 소자 영역(10a)의 면적에 따라 다양한 개수의 소자 영역(10a)이 형성될 수 있다. 상기 소자 영역(10a)은 결정질 실리콘 박막을 구비하며, 평판 디스플레이의 구동에 필요한 다양한 소자가 형성되는 영역이다. 상기 소자 영역(10a)의 결정질 실리콘 박막은 비정질 실리콘 박막의 결정화 공정을 통하여 형성된다.
상기 실리콘 박막 결정화 방법은 화이버 레이저와 폴리곤 스캐너(130)를 이용하여 소자 영역(10a)에 형성되는 비정질 실리콘 박막에 레이저 빔을 조사하여 결정화한다.
먼저, 상기 화이버 레이저는 비정질 실리콘 박막에 조사되는 레이저 빔을 발진한다. 상기 화이버 레이저는 소정의 주사 시간과 휴지 시간을 가지는 레이저 빔을 발진한다. 상기 화이버 레이저는 예를 들면, 조사 시간 1 ~ 5nsec, 휴지 시간 6 ~ 7nsec로 설정될 수 있다. 또한, 상기 화이버 레이저의 레이저 빔은 조사 시간과 휴지 시간을 조절하여 10 ~ 200MHz의 주파수를 갖는 레이저 빔으로 조사될 수 있다. 상기 화이버 레이저의 레이저 빔은 피크를 갖는 펄스 레이저이지만, 조사 시간과 휴지 시간이 짧아 실질적으로 유사 연속파의 특성을 가진다. 또한, 상기 화이버 레이저의 레이저 빔은 주파수 제어를 통하여 결정화에 적정한 온도로 비정질 실리콘 박막을 가열하는 것이 가능하다. 즉, 상기 화이버 레이저는 하나의 레이저 스팟(20)에 조사되는 레이저 빔의 조사 회수를 제어하여 비정질 실리콘 박막이 적정한 온도로 가열한다. 또한, 상기 화이버 레이저는 필요로 하는 위치 또는 영역에서 레이저 스팟별로 레잊 빔이 조사되지 않도록 작동할 수 있다. 이러한 경우에 상기 화이버 레이저는 특정 위치 또는 소자 영역별로 열처리 온도를 높이거나 낮추어 선택적으로 열처리를 진행할 수 있다.
상기 화이버 레이저는 비정질 실리콘 박막의 융점보다 낮은 온도로 비정질 실리콘 박막을 가열할 수 있다. 상기 비정질 실리콘 박막의 용융 온도는 대략 1,460℃이므로, 화이버 레이저는 비정질 실리콘 박막을 1,300 ∼ 1,400℃의 온도로 가열하도록 제어될 수 있다. 상기 결정질 실리콘 박막은 융점보다 낮은 온도에서 결정화되는 경우에 결정립계에서 형성되는 비정상적인 돌출상이 감소되어 결정성이 향상된다.
다음으로, 상기 베이스 기판(10)의 소자 영역(10a)에 화이버 레이저에서 조사되는 레이저 빔을 조사하여 비정질 실리콘 박막을 결정질 실리콘 박막으로 결정화한다. 상기 폴리곤 스캐너(130)는 레이저 빔을 소자 영역(10a)의 일측에서 타측으로 스캔 라인을 형성하면서 조사한다. 상기 폴리곤 스캐너(130)는 소자 영역(10a)의 후측단의 외측에 위치하여 스캔 라인을 형성하면서 레이저 빔을 조사한다. 상기 스캔 라인에서 가장 먼저 형성되는 스캔 라인은 후측은 후에 형성되는 스캔 라인과 중첩되지 않는 반면에 전측은 후에 형성되는 스캔 라인과 중첩되는 영역이 발생된다. 따라서, 상기 스캔 라인에서 가장 먼저 형성되는 스캔 라인은 전측과 후측 사이에 온도 차이가 발생할 가능성이 있으므로 소자 영역(10a)의 후측단의 외측에 위치한다.
상기 레이저 빔에 의한 스캔 라인은 소자 영역(10a)의 일측에서 타측으로 형성되는 레이저 스팟(20)에 의하여 형성된다. 상기 레이저 스팟(20)은 스캔 라인에서 서로 인접하는 레이저 스팟(20)과 서로 중첩되는 영역이 형성된다. 상기 레이저 스팟(20)은 레이저 빔의 주파수와 결정화 온도에 따라 중첩되는 면적이 달라질 수 있다. 즉, 상기 레이저 빔은 화이버 레이저에서 조사되는 레이저 빔의 주파수와 결정화 온도에 따라 스캔 속도가 달라질 수 있다. 상기 결정화 온도가 상대적으로 높은 경우에, 레이저 빔은 레이저 스팟(20)이 이웃하는 레이저 스팟(20)과 중첩되는 면적이 증가되도록 스캔 속도가 감소된다. 상기 비정질 실리콘 박막은 한 지점에서 레이저 빔의 조사 회수가 증가되면서, 비정질 실리콘 박막이 필요한 결정화 온도로 가열될 수 있다. 한편, 상기 레이저 빔의 주파수가 높은 경우에는, 레이저 빔의 스캔 속도가 증가되어 중첩되는 면적이 감소되더라도, 비정질 실리콘 박막은 필요한 결정화 온도로 가열될 수 있다.
상기 폴리곤 스캐너(130)는 스캔 라인의 일측단에서 형성되는 레이저 스팟(20)이 소자 영역(10a)의 일측의 외측에 형성되도록 조사된다. 상기 폴리곤 스캐너(130)는 바람직하게는 일측단에 형성되는 복수 개의 레이저 스팟(20)이 소자 영역(10a)의 일측의 외측에 형성되도록 한다. 또한, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 스캔 라인의 타측단에서 형성되는 레이저 스팟(20)이 소자 영역(10a)의 타측의 외측에 형성되도록 조사된다. 상기 폴리곤 스캐너(130)는 바람직하게는 타측단에 형성되는 복수 개의 레이저 스팟(20)이 소자 영역(10a)의 타측의 외측에 형성되도록 한다. 상기 스캔 라인의 일측단과 타측단에 형성되는 레이저 스팟(20)은 중앙 영역에 형성되는 레이저 스팟(20)에 비하여 레이저 빔의 조사 회수등에서 차이가 있어 불안정한 상태가 된다. 따라서, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 스캔 라인에서 일측과 타측을 제외한 안정한 상태의 레이저 스팟(20)이 소자 영역(10a)에 형성되도록 레이저 빔을 조사한다.
한편, 상기 베이스 기판(10)은 스캔 라인 방향으로 소자 영역(10a)이 적어도 2개로 형성되어 중간에 비 소자 영역이 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 레이저 빔은 일측에 위치하는 소자 영역(10a)에 레이저 빔을 조사한 후에 비 소자 영역에서는 조사되지 않고 다시 소자 영역(10a)에서 조사될 수 있다.
상기 폴리곤 스캐너(130)는, 도 8을 참조하면, 일측의 소자 영역(10a)부터 타측의 소자 영역(10a)으로 레이저 빔의 조사(1)를 완료한 후에, 스캔 라인에 수직한 방향으로 소정 길이로 이동(2)한다. 상기 폴리곤 스캐너(130)는 다시 일측의 소자 영역(10a)부터 타측의 소자 영역(10a)으로 스캔 라인을 형성하면서 레이저 빔을 조사(3)한다. 상기 폴리곤 스캐너(130)는 전의 스캔 라인과 동일한 방향인 일측에서 타측으로 스캔 라인을 형성하면서 레이저 빔을 조사한다. 상기 폴리곤 스캐너(130)는 다시 스캔 라인에 수직한 방향으로 소정 길이로 전진(4)한 후에 전의 스캔 라인과 동일한 방향으로 스캔 라인을 형성하면서 레이저 빔을 조사(5)한다. 이때, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 비 소자 영역(점선 부분)에서는 레이저 빔이 조사되지 않도록 할 수 있다.
상기 스캔 라인은 전에 형성된 스캔 라인과 소정 길이로 중첩되도록 형성된다. 즉, 상기 스캔 라인의 레이저 스팟(20)은 이전에 형성된 스캔 라인의 레이저 스팟(20)과 소정 면적으로 중첩된다. 다만, 상기 스캔 라인에 수직한 방향을 따라 레이저 스팟(20)이 중첩되는 영역은 중첩되지 않는 영역에 비하여 레이저 빔의 조사 회수가 증가되어 가열 온도도 증가될 수 있다. 따라서, 상기 스캔 라인에 수직인 방향으로 중첩되는 면적은 최소가 되도록 한다.
또한, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 소자 영역(10a)의 일측에서 타측으로 동일하게 스캔 라인을 형성하면서 레이저 빔을 조사하므로, 전의 스캔 라인에서 일측에 레이저 스팟(20)이 형성된 영역은 소정의 시간이 경과되어 상대적으로 온도가 낮아진 상태가 된다. 따라서, 상기 스캔 라인에서 일측에 형성되는 레이저 스팟(20)이 전의 스캔 라인에서 형성된 레이저 스팟(20)과 중첩되는 영역의 온도 증가는 크지 않게 된다. 또한, 상기 스캔 라인에서 일측에서 타측으로 가면서 형성되는 레이저 스팟(20)은 순차적으로 전의 레이저 스팟(20)과 동일한 시간이 경과된 후에 레이저 빔이 조사되므로 인접한 레이저 스팟(20)과 대비하여 온도 증가가 크지 않게 된다. 따라서, 상기 스캔 라인이 중첩되더라도 중첩되는 영역에서의 온도 증가는 크지 않게 된다. 또한, 상기 스캔 라인에서 일측과 타측의 중첩되는 영역에서의 온도 증가 차이가 크기 않게 된다. 반면, 상기 스캔 라인이 일측에서 타측으로 형성되고 다시 타측에서 일측으로 형성되는 경우에 즉, 지그재그로 형성되는 경우에는, 전의 스캔 라인의 타측에 형성된 레이저 스팟(20)은 상대적으로 짧은 시간 간격으로 레이저 빔이 중첩으로 조사되므로 온도 증가가 크게 된다. 또한, 상기 스캔 라인의 일측에서는 전의 스캔 라인의 일측에 형성된 레이저 스팟(20)은 상대적으로 긴 시간 간격으로 레이저 빔이 중첩되어 조사되므로 온도 증가가 크지 않게 된다. 따라서, 상기 스캔 라인이 중첩되는 영역에서는 일측과 타측에서의 중첩되는 영역의 온도 증가 차이가 크게 된다.
또한, 상기 베이스 기판(10)에 복수 개의 소자 영역(10a)이 형성되고, 전체 소자 영역의 폭이 폴리곤 스캐너(130)의 폭보다 큰 경우에, 도 4 및 도 5에 따른 실리콘 박막 결정화 장치(200)를 이용하여, 복수 개의 소자 영역(10a)에 동시에 레이저 빔을 조사할 수 있다. 즉, 상기 실리콘 박막 결정화 장치(200)는 상기 폴리곤 스캐너(130)는 스캔 라인 방향으로 이동하지 않으면서 레이저 빔을 조사하여 비정질 실리콘 박막의 결정화를 진행한다. 따라서, 상기 폴리곤 스캐너(130)는 균일하게 스캔 라인을 형성하면서 레이저 빔을 조사하여 소자 영역(10a)의 결정화 온도가 균일하게 되도록 한다.
본 명세서에 개시된 실시예는 여러 가지 실시 가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함 물론, 균등한 다른 실시예의 구현이 가능하다.
10: 베이스 기판 10a: 소자 영역
100, 200: 기판 열처리 장치
110: 기판 지지판 120: 레이저 모듈
130: 폴리곤 스캐너 230: 폴리곤 스캐너 모듈
100, 200: 기판 열처리 장치
110: 기판 지지판 120: 레이저 모듈
130: 폴리곤 스캐너 230: 폴리곤 스캐너 모듈
Claims (11)
- 화이버 레이저를 구비하는 레이저 모듈 및 폴리곤 스캐너를 포함하는 폴리곤 스캐너 모듈을 포함하는 실리콘 박막 결정화 장치를 이용하여 베이스 기판에 형성되는 적어도 1개의 소자 영역에 증착되는 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 방법으로,
상기 화이버 레이저가 레이저 빔을 발진하여 상기 폴리곤 스캐너로 전송하는 과정 및
상기 폴리곤 스캐너가 상기 소자 영역을 포함하는 영역에 상기 레이저 빔을 조사하여 상기 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 과정을 포함하며,
상기 베이스 기판은 적어도 2개의 상기 소자 영역이 폭 방향으로 이격되어 배치되고 상기 소자 영역 사이에 비소자 영역이 형성되며,
상기 폴리곤 스캐너는 상기 소자 영역의 일측에서 타측으로 레이저 빔을 조사하여 스캔 라인을 형성하고,
상기 폴리곤 스캐너는 일측의 상기 소자 영역부터 타측의 상기 소자 영역으로 상기 레이저 빔의 조사를 완료하고, 상기 스캔 라인에 수직한 방향으로 소정 길이로 이동한 후에 다시 일측의 상기 소자 영역부터 타측의 상기 소자 영역으로 상기 레이저 빔의 조사를 진행하며,
상기 스캔 라인의 레이저 스팟은 상기 스캔 라인 방향으로 인접하는 레이저 스팟과 중첩되며,
상기 폴리곤 스캐너는 상기 스캔 라인의 일측단에서 형성되는 상기 레이저 빔의 레이저 스팟이 상기 소자 영역의 일측의 외측에 형성되고 상기 스캔 라인의 타측단에서 형성되는 레이저 스팟이 상기 소자 영역의 타측의 외측에 형성되도록 상기 레이저 빔을 조사하며,
상기 스캔 라인은 전에 형성된 상기 스캔 라인과 중첩되도록 형성되며,
상기 소자 영역에 형성되는 상기 스캔 라인에서 가장 먼저 형성되는 스캔 라인은 상기 소자 영역의 후측단의 외측에 위치하며,
상기 레이저 빔은 유사 연속파 특성을 가지며,
상기 레이저 빔은 nsec 단위의 조사 시간과 nsec 단위를 가지며, 상기 조사 시간보다 긴 휴지 시간을 포함하는 펄스 레이저이며, 10 ~ 200MHz의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 박막 결정화 방법. - 삭제
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