KR102548825B1 - 레이저 결정화 장치 및 표시 장치의 제조 방법 - Google Patents

레이저 결정화 장치 및 표시 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

레이저 조사 장치는 레이저 빔을 발생하는 레이저 광원, 상기 레이저 빔을, 제1 방향으로 단변을 갖고 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 장변을 갖는 선형 레이저 빔으로 변환하는 광학계, 및 상기 선형 레이저 빔이 조사되고, 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향이 이루는 평면 상에 배치되는 피처리 기판과 상기 광학계 사이에 배치되고, 상기 선형 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 에너지를 분산시켜, 상기 선형 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 에너지 프로파일의 길이를 늘리고, 상기 에너지 프로파일의 피크값을 낮추는 광학 모듈을 포함한다.

Description

레이저 결정화 장치 및 표시 장치의 제조 방법{LASER CRYSTALIZING APPARATUS AND METHOD OF MANUFACTURING DISPLAY APPARATUS}
본 발명은 레이저 결정화 장치 및 이를 이용한 표시 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리 실리콘 박막 트랜지스터를 포함하는 표시 장치를 제조하기 위한 레이저 결정화 장치 및 이를 이용한 표시 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 기술의 발전에 힘입어 소형, 경량화 되면서 성능은 더욱 뛰어난 디스플레이 제품들이 생산되고 있다. 지금까지 디스플레이 장치에는 기존 브라운관 텔레비전(cathode ray tube: CRT)이 성능이나 가격 면에서 많은 장점을 가지고 널리 사용되었으나, 소형화 또는 휴대성의 측면에서 CRT의 단점을 극복하고, 소형화, 경량화 및 저전력 소비 등의 장점을 갖는 표시 장치, 예를 들면 플라즈마 표시 장치, 액정 표시 장치 및 유기 발광 표시 장치 등이 주목을 받고 있다.
상기 표시 장치는 박막 트랜지스터의 액티브 패턴으로, 폴리 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 폴리 실리콘은 비정질 실리콘(amorphous silicon)에 엑시머 레이저(excimer laser)를 조사하여 상기 비정질 실리콘을 결정화 하여 형성할 수 있다. 이 과정에서 균일한 막 특성을 갖는 폴리 실리콘을 형성하기 위한 다양한 노력이 있어왔다.
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 본 발명의 목적은 표시 장치에 사용되는 우수한 품질을 갖는 폴리 실리콘 층을 형성하기 위한 레이저 결정화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 레이저 결정화 장치를 이용한 표시 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 레이저 조사 장치는 레이저 빔을 발생하는 레이저 광원, 상기 레이저 빔을, 제1 방향으로 단변을 갖고 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 장변을 갖는 선형 레이저 빔으로 변환하는 광학계, 및 상기 선형 레이저 빔이 조사되고, 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향이 이루는 평면 상에 배치되는 피처리 기판과 상기 광학계 사이에 배치되고, 상기 선형 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 에너지를 분산시켜, 상기 선형 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 에너지 프로파일의 길이를 늘리고, 상기 에너지 프로파일의 피크값을 낮추는 광학 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광학 모듈은 상면이 상기 평면에 대해 경사진 면을 갖는 렌즈일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 렌즈의 상기 상면과 상기 평면이 이루는 각도는 5도 내지 45도 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광학 모듈은 상면이 상기 평면에 대해 경사진 곡면을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 피처리 기판에 조사되는 상기 레이저 빔의 상기 제1 방향의 전단 20% 는 150mJ/cm2 이하의 에너지를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 피처리 기판을 상기 제1 방향으로 이동시키며, 상기 레이저 빔을 상기 피처리 기판에 복수 회 조사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 결정화 장치는 상기 레이저 광원으로부터 발생한 상기 레이저 빔이 입사되어 상기 레이저 빔의 에너지의 분포를 균일하게 만드는 호모지나이저, 및 상기 호모지나이저를 통과한 상기 레이저 빔이 입사되어, 상기 선형 레이저 빔을 출사하는 P 렌즈를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 피처리 기판은 베이스 기판 및 상기 베이스 기판 상에 형성된 비정질 실리콘 층을 포함할 수 있다. 상기 레이저 빔이 상기 피처리 기판 상에 조사됨에 따라 상기 비정질 실리콘 층이 결정화 되어 폴리 실리콘 층이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비정질 실리콘 층은 2 at%(원자 퍼센트) 이상의 수소 농도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 폴리 실리콘 층은 2 at% 이하의 수소 농도를 가질 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 표시 장치의 제조 방법은 베이스 기판 상에 비정질 실리콘 층을 형성하는 단계, 상기 비정질 실리콘 층에 레이저 빔을 조사하여 결정화 하여 폴리 실리콘 층을 형성하는 단계, 폴리 실리콘 층을 패터닝 하여 액티브 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 액티브 패턴 상에 절연층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 레이저 빔은 선형 레이저 빔으로, 단변의 전단 20% 는 150mJ/cm2 이하의 에너지를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 폴리 실리콘 층을 형성하는 단계는, 레이저 빔을 발생하는 레이저 광원, 상기 레이저 빔을, 제1 방향으로 단변을 갖고 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 장변을 갖는 선형 레이저 빔으로 변환하는 광학계, 및 상기 선형 레이저 빔이 조사되고, 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향이 이루는 평면 상에 배치되는 피처리 기판과 상기 광학계 사이에 배치되고, 상기 선형 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 에너지를 분산시켜, 상기 선형 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 에너지 프로파일의 길이를 늘리고, 상기 에너지 프로파일의 피크값을 낮추는 광학 모듈을 포함하는 레이저 결정화 장치를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비정질 실리콘 층은 화학 기상 증착 공정을 통해 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비정질 실리콘 층을 형성하는 단계와 상기 폴리 실리콘 층을 형성하는 단계 사이에는 별도의 열처리 공정이 진행되지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 폴리 실리콘 층을 형성하는 단계 직전의 상기 비정질 실리콘 층의 막 내 수소 농도가 2at% 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 폴리 실리콘 층을 형성하는 단계 직후의 상기 폴리 실리콘 층의 막 내 수소 농도가 2at% 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 베이스 기판은 투명한 폴리이미드층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 표시 장치의 제조 방법의 모든 공정은 350 도 이하의 공정으로만 진행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제조 방법은 상기 절연층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 상에 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 상에 발광층을 형성하는 단계, 및 상기 발광층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 레이저 결정화 장치는 레이저 빔을 발생하는 레이저 광원, 상기 레이저 빔이 입사되어 제1 방향으로 단변, 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 장변을 갖는 선형 레이저 빔을 출사하는 렌즈, 및 상기 렌즈와 레이저가 조사되는 피처리 기판 사이에 배치되고, 상기 선형 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 에너지 프로파일을 변경시키는 광학 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 레이저 결정화 장치는 레이저 빔의 에너지 프로파일을 변경하는 광학 모듈을 포함하므로, 별도의 탈 수소를 위한 고온 열처리 공정 없이도, 우수한 품질을 갖는 폴리 실리콘 층을 포함하는 표시 장치를 제조할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 레이저 빔을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1의 레이저 결정화 장치의 각 부분에서의 레이저 빔의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래 기술과 본 발명에 따른 레이저 빔의 단축 방향 에너지 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 실시예들에 따른 광학 모듈과 레이저 빔의 단축 방향의 에너지 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 4d는 광학 모듈을 포함하지 않는 종래 기술에 따른 레이저 빔의 단축 방향의 에너지 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 5a는 종래 레이저 결정화 장치를 이용한 각 샷(shot)들의 에너지 프로파일과 결정화된 폴리 실리콘 층의 평면의 관계를 나타낸 도면이다.
도 5b 및 5c는 불량이 발생한 도 5a의 A 영역의 평면 및 측단면의 현미경 사진이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 결정화 장치를 이용한 각 샷(shot)들의 에너지 프로파일과 결정화된 폴리 실리콘 층의 평면의 관계를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치의 제조 방법에 의해 제조된 표시 장치의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 레이저 빔을 설명하기 위한 사시도이다. 도 2는 도 1의 레이저 결정화 장치의 각 부분에서의 레이저 빔의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 2를 참조하면, 상기 레이저 결정화 장치는 레이저 빔을 발생하는 레이저 광원(LS), 상기 레이저 빔의 경로를 변경하고, 상기 레이저 빔을 선형 레이저 빔으로 변환하는 광학계, 및 상기 광학계와 피처리 기판(10) 사이에 배치되는 광학 모듈을 포함한다.
상기 레이저 광원(LS)은 레이저 빔(LB)를 발생할 수 있다. 상기 레이저 광원(LS)은 레이저 발진기 일 수 있다. 상기 레이저 빔(LB)은 상기 레이저 발진기에 의해 생성되는 레이저를 이용하여 형성할 수 있으며, 상기 레이저는 기체 레이저 또는 고체 레이저가 사용될 수 있다. 기체 레이저로서는, Ar 레이저, Kr 레이저 등이 있고, 고체 레이저로서는, YAG 레이저, YVO4 레이저, YLF 레이저, YAlO3 레이저, Y2O3 레어저, 유리 레어저, 루비 레이저, 알렉산드라이트 레이저, Ti:사파이어 레이저 등이 있다.
상기 광학계는 복수의 렌즈 및/또는 미러를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 광학계는 제1 렌즈(LN1), 제1 미러(MR1), 호모지나이저(HZ), 렌즈(LN), 경로 변환부(LP) 및 P-렌즈(PLN)를 포함할 수 있다.
상기 제1 렌즈(LN1) 및 상기 제1 미러(MR1)는 상기 레이저 빔(LB)의 경로 및 분포를 변환하여 상기 호모지나이저(HZ)로 제공할 수 있다. 상기 제1 렌즈(LN1) 및 상기 제1 미러(MR1)의 구성은 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
상기 호모지나이저(HZ)는 가우시안 분포의 에너지 밀도를 갖는 레이저 빔을 입력 받아 일 방향으로 균일한 에너지 밀도를 갖는 레이저 빔으로 변경하는 역할을 할 수 있다.
상기 렌즈(LN)는 상기 레이저 빔(LB)의 경로를 변경하고, 상기 레이저 빔(LB)을 선형 레이저 빔으로 변환하기 위해, 필요에 따라 적절한 위치에 적절한 개수가 배치될 수 있다.
상기 경로 변환부(LP)는 상기 호모지나이저(HZ)를 지난 상기 레이저 빔(LB)이 피처리 기판(10) 상에 조사될 수 있도록 상기 레이저 빔(LB)의 경로를 변환할 수 있다. 상기 경로 변환부(LP)는 프리즘, 미러, 렌즈 등 다양한 구성을 포함할 수 있다.
상기 P-렌즈(PLN)는 상기 경로 변환부(LP)를 지난 상기 레이저 빔(LB)을 최종적으로 상기 피처리 기판 상에 조사하기 위한 형태로 변환할 수 있다. 상기 P-렌즈(PLN)을 통과한 상기 레이저 빔(LB)은 상기 제1 방향(x) 및 상기 제2 방향(y)에 수직한 제3 방향(z)으로 상기 피처리 기판(10)을 향해 입사할 수 있다.
한편, 자세히 도시하지 않았으나, 상기 레이저 빔(LB)의 상기 피처리 기판(10) 상에의 입사각은, 상기 피처리 기판(10) 상의 비정질 실리콘의 결정화에 영향을 미치며, 따라서, 상기 레이저 빔(LB)은 상기 제3 방향(z)에 대해 소정각도 경사진 방향으로 상기 피처리 기판(10)에 입사할 수 있다.
상기 광학 모듈(OP)은 상기 P-렌즈(PLN)와 상기 피처리 기판(10) 상이에 배치될 수 있다. 상기 광학 모듈(OP)은 상기 선형 레이저 빔의 상기 제1 방향(x)으로의 에너지 프로파일을 변경시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 광학 모듈(OP)은 상기 선형 레이저 빔(LB)의 상기 제1 방향(x)으로의 에너지를 분산시켜, 상기 선형 레이저 빔(LB)의 상기 제1 방향(x)으로의 에너지 프로파일의 길이를 늘리고, 상기 에너지의 프로파일의 피크값을 낮출 수 있다. 즉, 상기 광학 모듈(OP)이 존재하지 않는 종래의 레이저 결정화 장치의 선형 레이저 빔에 비해, 본 실시예에 따른 레이저 결정화 장치의 선형 레이저 빔은 단축 방향의 에너지 프로파일의 피크값이 더 낮고, 제1 방향 전단의 기울기값이 더 낮을 수 있다. (도 4a 와 도 4d 참조)
상기 피처리 기판(10)은 베이스 기판 및 상기 베이스 기판 상에 형성된 비정질 실리콘 층을 포함할 수 있다. 상기 비정질 실리콘 층에 상기 레이저 빔(LB)를 조사하여 결정화 하여 폴리 실리콘 층을 형성할 수 있다.
일반적으로, ELA 공정은 비정질 실리콘을(a-Si) 다결정 실리콘(p-Si)으로 결정화 하는 방법으로 Excimer Laser Annealing이라 불리며, 레이저 소스에 고전압 방전을 가하여 생성된 순간적인 높은 레이저 에너지로 열처리를 하는 공정이다. 레이저 결정화 장치의 레이저 빔의 형태와 균일성(Beam Shape, Uniformity)를 위해 많은 광학 렌즈들이 사용되며, 입사빔의 각도, Divergence에 따라 결정화된 Grain의 형성에 영향을 준다.
본 실시예에 따르면, 종래 기술 대비, 상기 광학 모듈(OP)이 추가되어, 상기 피처리 기판(10)의 상기 비정질 실리콘 층에 적절한 수준의 레이저 에너지를 공급할 수 있으며, 이에 따라, 품질이 향상된 폴리 실리콘 층을 수득할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 5a 내지 6에서 후술한다.
도 3은 종래 기술과 본 발명에 따른 레이저 빔의 단축 방향 에너지 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 2 및 3을 참조하면, 종래 기술(a)에 따른 레이저 결정화 장치의 경우, 레이저 빔의 단축 방향 에너지 프로파일은 제1 방향(x)의 전단 20% 부분에서의 기울기가 급격한 것을 볼 수 있다.
반면 본 실시예(b)에 따른 레이저 결정화 장치의 경우, 레이저 빔의 단축 방향 에너지 프로파일은 제1 방향(x)의 전단 20% 부분에서의 기울기가 종래 기술 대비 매우 완만한 것을 볼 수 있다. 이는 상기 광학 모듈(OP)에 의해 상기 레이저 빔의 단축 방향 에너지 프로파일이 변경되었기 때문이며, 상기 제1 방향(x)의 전단 20% 부분에서는 상기 레이저 빔의 에너지 밀도가 150(mJ/cm2)이하일 수 있다. 또한, 이에 따라 종래 기술의 레이저 빔의 프로파일에서 상기 제1 방향(x)의 전단 부분에서 발생하는 에너지 피크(peak) 값이 줄어들 수 있다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 실시예에들에 따른 광학 모듈과 레이저 빔의 단축 방향의 에너지 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 4a를 참조하면, 광학 모듈(OP)은 상면이 제1 방향(x)과 제2 방향(y)이 이루는 xy 평면에 대해 경사진 곡면을 갖는 렌즈일 수 있다. 예를 들면, 상기 렌즈는 상기 제2 방향(y)으로 연장되고, 도면에 도시된 바와 같이 단면 상에서, 상기 상면이 상기 xy 평면과 평행한 하면에 대해 경사진 곡면일 수 있다.
이에 따라, 레이저 빔(LB)이 상기 렌즈의 상면 및 하면을 차례로 통과하여, 상기 제1 방향(x)의 반대 방향으로 확산되고, 이에 따라, 상기 레이저 빔(LB)의 에너지 프로파일의 상기 제1 방향(x)으로의 길이를 늘리고, 상기 레이저 빔(LB)의 에너지 프로파일의 피크값을 낮출 수 있다. 상기 광학 모듈(OP)을 포함하지 않는 경우의 도 4d와 비교해 보면 이를 확인할 수 있다.
도 4b 및 4c를 참조하면, 상기 광학 모듈(OP)은 상면이 제1 방향(x)과 제2 방향(y)이 이루는 xy 평면에 대해 경사진 면을 갖는 렌즈일 수 있다. 예를 들면, 상기 렌즈는 상기 제2 방향(y)으로 연장되고, 도면에 도시된 바와 같이 단면 상에서, 상기 상면이 상기 xy 평면과 평행한 하면에 대해 경사진 면일 수 있다.
이때, 상기 상면의 상기 xy 평면에 대한 경사각은 5~45도일 수 있다. 상기 도 4b 및 4c는 상기 경사각의 변화에 따른 상기 레이저 빔(LB)의 프로파일 변화를 나타내고 있으며, 어느 경우에나, 상기 레이저 빔(LB)의 에너지 프로파일의 상기 제1 방향(x)으로의 길이를 늘리고, 상기 레이저 빔(LB)의 에너지 프로파일의 피크값을 낮출 수 있다.
도 4d는 광학 모듈을 포함하지 않는 종래 기술에 따른 레이저 빔의 단축 방향의 에너지 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 4d를 참조하면, 상기 종래 기술에 따른 레이저 빔은 광학 모듈을 거치지 않으므로, 에너지 프로파일의 피크 값이 본 발명의 실시예들의 경우보다 크고, 상기 제1 방향(x)의 길이도 짧은 것을 알 수 있다.
도 5a는 종래 레이저 결정화 장치를 이용한 각 샷(shot)들의 에너지 프로파일과 결정화된 폴리 실리콘 층의 평면의 관계를 나타낸 도면이다. 도 5b 및 5c는 불량이 발생한 도 5a의 A 영역의 평면 및 측단면의 현미경 사진이다. 도 6는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 결정화 장치를 이용한 각 샷(shot)들의 에너지 프로파일과 결정화된 폴리 실리콘 층의 평면의 관계를 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 5c를 참조하면, 상측에는 종래 기술에 따른 레이저 결정화 장치를 이용한 각 샷(shot)들의 에너지 프로파일이 도시되어 있다. 하측에는 결정화가 진행되는 피처리 기판의 폴리 실리콘 층의 상면이 도시되어 있다.
상기 샷들은 도면 상에서 1번 내지 6번 순서로 진행될 수 있으며, 이에 따라 상기 피처리 기판 상의 비정질 실리콘 층이 결정화 되어 폴리 실리콘 층이 형성될 수 있다. 이때, 각 샷들이 겹치는 부분에서 각 샷의 에너지 피크에 대응되는 위치에서, 상기 폴리 실리콘 층에 결함이 형성된 것을 확인 할 수 있다. (도 5b 및 5c 현미경 사진 참조)
이는 상기 비정질 실리콘 층을 형성하기 위한 화학 기상 증착 공정 등에서 상기 비정질 실리콘 층 내에 수소를 함유하게 되고, 상기 비정질 실리콘 층이 결정화 되기 전에, 탈 수소(dehydrogenation) 공정 부족으로 인해, 막(film) 내 수소 농도가 높은 영역에 높은 레이저 에너지가 제공되는 경우, 수소 터짐으로 인한 손상(damage)가 발생하여 폴리 실리콘 층의 결함(줄 얼룩)이 형성되는 것으로 확인 하였다. 이와 같은 결함을 방지하기 위해서는 비정질 실리콘 층을 형성한 후, 결정화 공정을 진행하기 전에 별도의 고온 열처리 공정을 통해 탈 수소 처리가 필요하며, 이때, 충분한 탈 수소를 위해서는 막 내 수소 농도가 2% 이하여야 함을 확인하였다.
예를 들면, 탈 수소를 위한 고온 열처리 공정은 약350℃(섭씨) 이상에서 약 480초 이상 진행 하여 막 내 수소를 2% 이하로 줄여주는 공정일 수 있다.
도 6을 참조하면, 상측에는 본 발명의 실시에들에 따른 레이저 결정화 장치를 이용한 각 샷(shot)들의 에너지 프로파일이 도시되어 있다. 하측에는 결정화가 진행되는 피처리 기판의 폴리 실리콘 층의 상면이 도시되어 있다.
상기 샷들은 도면 상에서 1번 내지 6번 순서로 진행될 수 있으며, 이에 따라 상기 피처리 기판 상의 비정질 실리콘 층이 결정화 되어 폴리 실리콘 층이 형성될 수 있다.
본 실시예에 따르면 별도의 탈 수소를 위한 고온 열처리 공정 없이도, 상기 줄 얼룩 등의 결함이 발행하지 않고, 균일한 폴리 실리콘 층을 형성할 수 있음을 확인하였다.
종래 기술에 따른 레이저 결정화 장치의 레이저 빔은 단축의 Beam Steepness(에너지 프로파일의 경사도)가 높아 낮고 완만한 Energy 조사가 어려워 레이저 조사 방식으로 막(film) 내 탈 수소 효과를 얻기 어렵다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따르면, 레이저 결정화 장치에 간단히 광학 모듈 추가하는 것으로 레이저 빔의 에너지 프로파일의 제어가 가능하며, 별도의 탈 수소를 위한 열처리(heating) 공정을 필요로 하지 않으므로, 공정 시간 단축할 수 있다. 또한, 고온 열처리 공정을 거치지 않고, 폴리 실리콘 층을 형성할 수 있으므로, 상기 폴리 실리콘 층 하부의 다른 구조물의 공정 중 열 충격에 의한 파손 문제를 예방할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치의 제조 방법에 의해 제조된 표시 장치의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 상기 표시 장치는 베이스 기판(100), 버퍼층(110), 액티브 패턴(ACT), 제1 절연층(120), 게이트 전극(GE), 제2 절연층(130), 소스 전극(SE), 드레인 전극(DE), 비아 절연층(140), 화소 정의막(PDL), 발광 구조물(180), 및 박막 봉지층(TFE)을 포함할 수 있다.
상기 베이스 기판(100)은 투명한 또는 불투명한 재료로 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 베이스 기판(100)은 석영 기판, 합성 석영(synthetic quartz) 기판, 불화칼슘 기판, 불소가 도핑된 석영(F-doped quartz) 기판, 소다라임(sodalime) 유리 기판, 무알칼리(non-alkali) 유리 기판 등을 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 베이스 기판(100)은 연성을 갖는 투명 수지 기판으로 이루어질 수도 있다. 상기 베이스 기판(100)으로 이용될 수 있는 투명 수지 기판의 예로는 폴리이미드 기판을 들 수 있다.
상기 버퍼층(110)은 상기 베이스 기판(100) 상에 전체적으로 배치될 수 있다. 상기 버퍼층(110)은 상기 베이스 기판(100)으로부터 금속 원자들이나 불순물들이 상기 액티브 패턴(ACT)으로 확산되는 현상을 방지할 수 있으며, 상기 액티브 패턴(ACT)을 형성하기 위한 결정화 공정 동안 열의 전달 속도를 조절하여 실질적으로 균일한 상기 액티브 패턴(ACT)을 수득하게 할 수 있다. 또한, 상기 버퍼층(110)은 상기 베이스 기판(100)의 표면이 균일하지 않을 경우, 상기 베이스 기판(100)의 표면의 평탄도를 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.
상기 액티브 패턴(ACT)은 상기 버퍼층(110) 상에 배치될 수 있다. 상기 액티브 패턴(ACT)은 폴리 실리콘(Poly Crystal Silicon)을 포함할 수 있다. 상기 액티브 패턴(ACT)은 불순물이 도핑(doping)된 드레인 영역과 소스 영역 및 상기 드레인 영역과 상기 소스 영역 사이의 채널 영역을 포함할 수 있다. 상기 폴리 실리콘은 비정질 실리콘을 먼저 증착한 후 이를 결정화함으로써 형성될 수 있다. 이때, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 결정화 장치 및 방법이 사용될 수 있다.
상기 제1 절연층(120)은 상기 버퍼층(110) 상에서 상기 액티브 패턴(ACT)을 덮으며, 상기 액티브 패턴(ACT)의 프로파일을 따라 실질적으로 동일한 두께로 배치될 수 있다. 이와는 달리, 상기 제1 절연층(120)은 상기 버퍼층(110) 상에서 상기 액티브 패턴(ACT)을 충분히 덮을 수 있으며, 상기 액티브 패턴(ACT)의 주위에 단차를 생성시키지 않고 실질적으로 평탄한 상면을 가질 수도 있다. 상기 제1 절연층(120)은 실리콘 화합물, 금속 산화물 등의 무기 절연 물질을 포함할 수 있다.
상기 게이트 전극(GE)을 포함하는 게이트 패턴이 상기 제1 절연층(120) 상에 배치될 수 있다. 상기 게이트 패턴은 상기 표시 장치를 구동하기 위한 게이트 라인 등의 신호 배선을 더 포함할 수 있다. 상기 게이트 패턴은 금속, 합금, 금속 질화물, 도전성 금속 산화물, 투명 도전성 물질 등을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 제2 절연층(130)은 상기 게이트 패턴이 배치된 상기 제1 절연층(120) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 절연층(130)은 상기 제1 절연층(120) 상에서 상기 게이트 패턴을 충분히 덮을 수 있으며, 상기 게이트 패턴의 주위에 단차를 생성시키지 않고 실질적으로 평탄한 상면을 가질 수 있다. 이와는 달리, 상기 제2 절연층(130)은 상기 제1 절연층(120) 상에서 상기 게이트 패턴을 덮으며, 상기 게이트 패턴의 프로파일을 따라 실질적으로 동일한 두께로 배치될 수 도 있다. 상기 제2 절연층(130)은 실리콘 화합물, 금속 산화물 등의 무기 절연 물질을 포함할 수 있다.
상기 소스 전극(SE) 및 상기 드레인 전극(DE)을 포함하는 데이터 패턴이 상기 제2 절연층(130) 상에 배치될 수 있다. 상기 데이터 패턴은 상기 표시 장치를 구동하기 위한 데이터 라인 등의 신호 배선을 더 포함할 수 있다. 상기 데이터 패턴은 금속, 합금, 금속 질화물, 도전성 금속 산화물, 투명 도전성 물질 등을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 액티브 패턴(ACT), 상기 게이트 전극(GE), 상기 소스 전극(SE) 및 상기 드레인 전극(DE)은 박막 트랜지스터(TFT)에 포함될 수 있다.
상기 비아 절연층(140)이 상기 데이터 패턴이 배치된 상기 제2 절연층(130) 상에 배치될 수 있다. 상기 비아 절연층(140)은 단층 구조로 형성될 수 있지만, 적어도 2이상의 절연막들을 포함하는 다층 구조로 형성될 수도 있다. 상기 비아 절연층(140)은 포토레지스트, 아크릴계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리아미드계 수지, 실록산계(siloxane-based) 수지 등의 유기 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 발광 구조물(180)은 제1 전극(181), 발광층(182) 및 제2 전극(183)을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(181)은 상기 비아 절연층(140) 상에 배치될 수 있다. 상기 표시 장치의 발광 방식에 따라, 상기 제1 전극(181)은 반사성을 갖는 물질 또는 투광성을 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 전극(181)은 금속막, 합금막, 금속 질화물막, 도전성 금속 산화물막 및/또는 투명 도전성 물질막을 포함하는 단층 구조 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
상기 화소 정의막(PDL)은 상기 제1 전극(181)이 배치된 상기 비아 절연층(140) 상에 배치될 수 있다. 상기 화소 정의막(PDL)은 유기 물질, 무기 물질 등을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 화소 정의막(PDL)은 포토레지스트, 폴리아크릴계 수지, 폴리이미드계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘 화합물 등을 사용하여 형성될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 화소 정의막(PDL)을 식각하여 상기 제1 전극(181)을 부분적으로 노출시키는 개구(opening)를 형성할 수 있다. 이러한 상기 화소 정의막(PDL)의 개구에 의해 상기 표시 장치의 발광 영역과 비발광 영역이 정의될 수 있다. 예를 들면, 상기 화소 정의막(PDL)의 개구가 위치하는 부분이 상기 발광 영역에 해당될 수 있으며, 상기 비발광 영역은 상기 화소 정의막(PDL)의 개구에 인접하는 부분에 해당될 수 있다.
상기 발광층(182)은 상기 화소 정의막(PDL)의 개구를 통해 노출되는 상기 제1 전극(181)상에 배치될 수 있다. 또한, 상기 발광층(182)은 상기 화소 정의막(PDL)의 상기 개구의 측벽 상으로 연장될 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 발광층(182)은 유기 발광층(EL), 정공 주입층(HIL), 정공 수송층(HTL), 전자 수송층(ETL), 전자 주입층(EIL) 등을 포함하는 다층 구조를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 유기 발광층을 제외하고, 상기 정공 주입층, 상기 정공 수송층, 상기 전자 수송층 및 상기 전자 주입층 등은 복수의 화소들에 대응되도록 공통적으로 형성될 수 있다. 상기 발광층(182)의 유기 발광층은 상기 표시 장치의 각 화소에 따라 적색광, 녹색광, 청색광 등과 같은 서로 상이한 색광들을 발생시킬 수 있는 발광 물질들을 사용하여 형성될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 발광층(182)의 유기 발광층은 적색광, 녹색광, 청색광 등의 상이한 색광들을 구현할 수 있는 복수의 발광 물질들이 적층되어 백색광을 발광하는 구조를 가질 수도 있다. 이때, 상기 발광 구조물들은 복수의 화소들에 대응되도록 공통적으로 형성되고, 상기 컬러 필터층에 의해 각각의 화소들이 구분될 수 있다.
상기 제2 전극(183)은 상기 화소 정의막(PDL) 및 상기 발광층(182) 상에 배치될 수 있다. 상기 표시 장치의 발광 방식에 따라, 상기 제2 전극(183)은 투광성을 갖는 물질 또는 반사성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 전극(183)도 금속막, 합금막, 금속 질화물막, 도전성 금속 산화물막 및/또는 투명 도전성 물질막을 포함하는 단층 구조 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
상기 박막 봉지층(TFE)이 상기 제2 전극(183) 상에 배치될 수 있다. 상기 박막 봉지층(TFE)은 외부의 습기 및 산소의 침투를 방지할 수 있다. 상기 박막 봉지층(TFE)은 적어도 하나의 유기층과 적어도 하나의 무기층을 구비할 수 있다. 적어도 하나의 유기층과 적어도 하나의 무기층은 서로 교번적으로 적층될 수 있다. 예를 들면, 상기 박막 봉지층(TFE)은 두 개의 무기층과 이들 사이의 한개의 유기층을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 실시예에 있어서, 상기 박막 봉지층 대신 외기 및 수분이 상기 표시 장치 내부로 침투하는 것을 차단하기 위한 밀봉기판이 제공될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상기 폴리 실리콘을 포함하는 액티브 패턴을 형성하는데 있어서, 탈 수소를 위한 별도의 열처리 공정 없이도 우수한 품질의 액티브 패턴을 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
상기 표시 장치의 제조 방법은 a-Si 층 형성단계(S100), 탈 수소 ELA 단계(S200), 패터닝 단계(S300) 및 절연층 형성 단계(S400)를 포함할 수 있다.
상기 a-Si 층 형성단계(S100)에서는 베이스 기판 상에 비정질 실리콘 층을 형성할 수 있다. 상기 베이스 기판은 투명한 폴리이미드층을 포함할 수 있다.
상기 탈 수소 ELA 단계(S200)에서는 상기 비정질 실리콘 층에 본 발명의 실시에들에 따른 레이저 결정화 장치를 이용하여, 레이저 빔을 조사할 수 있다. 상기 레이저 빔은 선형 레이저 빔으로, 단변의 전단 20% 는 150mJ/cm2 이하의 에너지를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 비정질 실리콘 층 내의 수소농도가 낮아지며, 결정화가 진행될 수 있으며, 폴리 실리콘 층이 형성될 수 있다. 이때, 상기 레이저 빔의 에너지 프로파일은 피크 값이 낮아지고, 전단 20% 부분에서의 기울기가 완만하므로, 수소 터짐에 의한 불량 발생을 방지할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 전술한 바와 같다.
상기 a-Si 층 형성단계(S100)와 상기 탈 수소 ELA 단계(S200) 사이에는 별도의 열처리 공정이 진행되지 않을 수 있다.
상기 탈 수소 ELA 단계(S200) 직전의 상기 비정질 실리콘 층의 막 내 수소 농도는 2at% 이상이고, 상기 탈 수소 ELA 단계(S200) 직후의 상기 폴리 실리콘 층의 막 내 수소 농도는 2at% 이하일 수 있다.
상기 패터닝 단계(S300)에서는 상기 폴리 실리콘 층을 패턴닝 하여 액티브 패턴을 형성할 수 있다. 상기 절연층 형성 단계(S400)에서는 상기 액티브 패턴 상에 절연층을 형성할 수 있다.
이후, 상기 절연층 상에 게이트 전극, 제2 절연층, 소스 전극, 드레인 전극, 비아 절연층, 제1 전극, 화소 정의막, 발광층, 제2 전극 및 박막 봉지층을 차례로 형성하여 표시 장치를 제조할 수 있다. 상기 구성들은 알려진 일반적인 방법에 따라 형성될 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기 표시 장치의 제조 방법의 모든 공정은 350 도 이하의 공정으로만 진행될 수 있으며, 이에 따라 상기 표시 장치를 구성하는 구성들이 제조 공정 중 열 충격에 의한 파손 문제를 예방할 수 있다.
본 발명은 유기 발광 표시 장치 및 이를 포함하는 다양한 전자 기기들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 휴대폰, 스마트폰, 비디오폰, 스마트패드, 스마트 워치, 태블릿 PC, 차량용 네비게이션, 텔레비전, 컴퓨터 모니터, 노트북, 헤드 마운트 디스플레이 등에 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 피처리 기판 LS: 레이저 광원
HZ: 호모지나이저 LP: 경로 변환부
PLN: P-렌즈 OP: 광학 모듈
100: 베이스 기판 110: 버퍼층
ACT: 액티브 패턴 120: 제1 절연층
GE: 게이트 전극 130: 제2 절연층
SE: 소스 전극 DE: 드레인 전극
TFT: 박막 트랜지스터 140: 비아 절연층
PDL: 화소 정의막 180: 발광 구조물
TFE: 박막 봉지층

Claims (20)

  1. 레이저 빔을 발생하는 레이저 광원;
    상기 레이저 빔을, 제1 방향으로 단변을 갖고 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 장변을 갖는 선형 레이저 빔으로 변환하는 광학계; 및
    상기 선형 레이저 빔이 조사되고, 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향이 이루는 평면 상에 배치되는 피처리 기판과 상기 광학계 사이에 배치되고, 상기 선형 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 에너지를 분산시켜, 상기 선형 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 에너지 프로파일의 길이를 늘리고, 상기 에너지 프로파일의 피크값을 낮추는 광학 모듈을 포함하고,
    상기 피처리 기판에 조사되는 상기 선형 레이저 빔의 상기 제1 방향의 전단 20% 는 150mJ/cm2 이하의 에너지를 가지며,
    상기 피처리 기판을 상기 제1 방향으로 이동시키며, 상기 선형 레이저 빔을 상기 피처리 기판에 복수 회 조사하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 모듈은 상면이 상기 평면에 대해 경사진 면을 갖는 렌즈인 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 렌즈의 상기 상면과 상기 평면이 이루는 각도는 5도 내지 45도 인 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 모듈은 상면이 상기 평면에 대해 경사진 곡면을 갖는 렌즈인 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 광원으로부터 발생한 상기 레이저 빔이 입사되어 상기 레이저 빔의 에너지의 분포를 균일하게 만드는 호모지나이저; 및
    상기 호모지나이저를 통과한 상기 레이저 빔이 입사되어, 상기 선형 레이저 빔을 출사하는 P 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 피처리 기판은 베이스 기판 및 상기 베이스 기판 상에 형성된 비정질 실리콘 층을 포함하고,
    상기 레이저 빔이 상기 피처리 기판 상에 조사됨에 따라 상기 비정질 실리콘 층이 결정화 되어 폴리 실리콘 층이 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 비정질 실리콘 층은 2 at%(원자 퍼센트) 이상의 수소 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 폴리 실리콘 층은 2 at% 이하의 수소 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  11. 베이스 기판 상에 비정질 실리콘 층을 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘 층에 선형 레이저 빔을 조사하여 결정화 하여 폴리 실리콘 층을 형성하는 단계;
    폴리 실리콘 층을 패터닝 하여 액티브 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 액티브 패턴 상에 절연층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 선형 레이저 빔의 단변의 전단 20% 는 150mJ/cm2 이하의 에너지를 가지며,
    상기 폴리 실리콘 층을 형성하는 단계는,
    레이저 빔을 발생하는 레이저 광원;
    상기 레이저 빔을, 제1 방향으로 상기 단변을 갖고 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 장변을 갖는 상기 선형 레이저 빔으로 변환하는 광학계; 및
    상기 선형 레이저 빔이 조사되고, 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향이 이루는 평면 상에 배치되는 피처리 기판과 상기 광학계 사이에 배치되고, 상기 선형 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 에너지를 분산시켜, 상기 선형 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 에너지 프로파일의 길이를 늘리고, 상기 에너지 프로파일의 피크값을 낮추는 광학 모듈을 포함하는 레이저 결정화 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 표시 장치의 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 비정질 실리콘 층은 화학 기상 증착 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 표시 장치의 제조 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 비정질 실리콘 층을 형성하는 단계와 상기 폴리 실리콘 층을 형성하는 단계 사이에는 별도의 열처리 공정이 진행되지 않는 것을 특징으로 하는 표시 장치의 제조 방법.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 폴리 실리콘 층을 형성하는 단계 직전의 상기 비정질 실리콘 층의 막 내 수소 농도가 2at% 이상인 것을 특징으로 하는 표시 장치의 제조 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 폴리 실리콘 층을 형성하는 단계 직후의 상기 폴리 실리콘 층의 막 내 수소 농도가 2at% 이하인 것을 특징으로 하는 표시 장치의 제조 방법.
  17. 제11 항에 있어서,
    상기 베이스 기판은 투명한 폴리이미드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표시 장치의 제조 방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 표시 장치의 제조 방법의 모든 공정은 350 도 이하의 공정으로만 진행되는 것을 특징으로 하는 표시 장치의 제조 방법.
  19. 제11 항에 있어서,
    상기 절연층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
    상기 소스 전극 및 드레인 전극 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 발광층을 형성하는 단계; 및
    상기 발광층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표시 장치의 제조 방법.
  20. 레이저 빔을 발생하는 레이저 광원;
    상기 레이저 빔이 입사되어 제1 방향으로 단변, 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 장변을 갖는 선형 레이저 빔을 출사하는 렌즈; 및
    상기 렌즈와 레이저가 조사되는 피처리 기판 사이에 배치되고, 상기 선형 레이저 빔의 상기 제1 방향으로의 에너지 프로파일을 변경시키는 광학 모듈을 포함하고,
    상기 피처리 기판에 조사되는 상기 선형 레이저 빔의 상기 제1 방향의 전단 20% 는 150mJ/cm2 이하의 에너지를 가지며,
    상기 피처리 기판을 상기 제1 방향으로 이동시키며, 상기 선형 레이저 빔을 상기 피처리 기판에 복수 회 조사하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
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