KR102612443B1 - 레이저 열처리 장치 및 그를 이용한 박막 결정화 방법 - Google Patents

레이저 열처리 장치 및 그를 이용한 박막 결정화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 레이저 열처리 장치 및 그를 이용한 박막 결정화 방법에 관한 것으로, 제1 레이저 빔을 피처리 박막으로 조사하고, 피처리 박막에서 반사된 제1 레이저 빔을 반사시켜 피처리 박막으로 제2 레이저 빔이 조사되도록 한다. 이 때 제2 레이저 빔이 상기 제1 레이저 빔이 조사된 영역의 적어도 일부와 중첩되도록 한다.

Description

레이저 열처리 장치 및 그를 이용한 박막 결정화 방법 {Laser annealing apparatus and method for crystallizing thin film using the same}
본 발명의 실시예는 레이저 열처리 장치 및 그를 이용한 박막 결정화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 결정화에 유효한 에너지 밀도를 유지하며 레이저 빔의 유효 폭을 증가시키는 효과를 구현할 수 있는 레이저 열처리 장치 및 그를 이용한 박막 결정화 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치나 표시 장치에 사용되는 박막 트랜지스터(thin film transistor)는 반도체층의 종류에 따라 비정질 실리콘(amorphous silicon) 박막 트랜지스터 및 다결정 실리콘(polycrystalline silicon) 박막 트랜지스터로 구분된다.
다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터에 비해 전하 이동도가 크기 때문에 널리 사용된다.
다결정 실리콘은 직접 증착할 수 있지만, 비정질 실리콘을 증착한 후 이를 결정화하여 제조할 수 있다.
다결정 실리콘을 직접 증착하는 방법으로는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition: CVD)법이 이용될 수 있다. 비정질 실리콘을 증착한 후 결정화하는 방법으로는 고출력 펄스 레이저인 엑시머 레이저를 순간적으로 조사하는 엑시머 레이저 열처리(Excimer Laser Annealing, ELA)법, 반응로(furnace)에서 가열하는 고상 결정화(Solid Phase Crystallization, SPC)법, 금속을 선택적으로 증착한 후 전기장을 인가하는 금속 유도 결정화(Metal Induced Crystallization, MIC)법 및 순차적 측면 고상화(Sequential Lateral Solidification, SLS)법 등이 이용될 수 있다.
이 중 단파장의 고출력 펄스 레이저를 사용하는 엑시머 레이저 열처리법은 비교적 저온에서 공정이 가능하고 결정화 속도가 빠르며 결정성이 우수하기 때문에 널리 이용된다.
본 발명의 실시예의 목적은 결정화에 유효한 에너지 밀도를 유지하며 레이저 빔의 유효 폭을 증가시키는 효과를 구현할 수 있는 레이저 열처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예의 다른 목적은 생산성을 유지하면서 결정화 품질을 일정 수준 이상으로 향상시킬 수 있는 박막 결정화 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 레이저 열처리 장치는 피처리 박막이 형성된 기판을 지지하며 일정한 속도로 이동하는 스테이지; 상기 스테이지가 이동하는 상태에서 상기 피처리 박막으로 제1 레이저 빔을 조사하는 레이저 조사부; 및 상기 피처리 박막에서 반사된 제1 레이저 빔을 반사시켜 상기 피처리 박막으로 제2 레이저 빔이 조사되도록 하는 반사 미러를 포함하며, 상기 반사 미러는 상기 제2 레이저 빔이 상기 피처리 박막의 상기 제1 레이저 빔이 조사된 영역의 적어도 일부와 중첩되도록 반사각이 조절될 수 있다.
상기 피처리 박막의 상기 제1 레이저 빔이 조사된 영역은 중앙부의 제1 영역과, 상기 제1 영역의 양측에 각각 배치되는 제2 영역을 포함하며, 상기 반사 미러는 상기 제2 영역의 적어도 일부가 상기 제2 레이저 빔과 중첩되도록 상기 반사각이 조절될 수 있다.
상기 제2 영역에 대응하는 상기 제1 레이저 빔의 에너지는 상기 제1 영역에 대응하는 상기 제1 레이저 빔의 에너지보다 작을 수 있다.
상기 제2 레이저 빔과 중첩되는 상기 제2 영역은 상기 스테이지가 이동하는 방향에 대하여, 상기 제1 영역보다 전면에 위치될 수 있다.
상기 제2 영역의 20% 내지 100%가 상기 제2 레이저 빔과 중첩될 수 있다.
상기 제1 레이저 빔은 엑시머 레이저 빔일 수 있으며, 펄스 형태 및 선 형태로 조사될 수 있다.
상기 반사 미러는 평면 미러 및 오목 미러 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따른 박막 결정화 방법은 피처리 박막이 형성된 기판을 스테이지에 장착하는 단계; 상기 스테이지를 일정 속도로 이동시키는 단계; 상기 피처리 박막으로 제1 레이저 빔을 조사하는 단계; 및 상기 피처리 박막에서 반사된 상기 제1 레이저 빔을 반사시켜 상기 피처리 박막으로 제2 레이저 빔이 조사되도록 하는 단계를 포함하며, 상기 제2 레이저 빔은 상기 피처리 박막의 상기 제1 레이저 빔이 조사된 영역의 적어도 일부와 중첩되도록 조사될 수 있다.
상기 피처리 박막은 비정질 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 제1 레이저 빔은 엑시머 레이저 빔일 수 있으며, 펄스 형태 및 선 형태로 조사될 수 있다.
상기 제1 레이저 빔은 상기 스테이지의 표면에 대하여 90도보다 작은 각도로 조사될 수 있다.
상기 피처리 박막의 상기 제1 레이저 빔이 조사된 영역은 중앙부의 제1 영역과, 상기 제1 영역의 양측에 각각 배치되는 제2 영역을 포함하며, 상기 제2 영역의 적어도 일부가 상기 제2 레이저 빔과 중첩될 수 있다.
상기 제2 영역에 대응하는 상기 제1 레이저 빔의 에너지는 상기 제1 영역에 대응하는 상기 제1 레이저 빔의 에너지보다 작을 수 있다.
상기 제2 레이저 빔과 중첩되는 상기 제2 영역은 상기 스테이지가 이동하는 방향에 대하여, 상기 제1 영역보다 전면에 위치될 수 있다.
상기 제2 영역의 20% 내지 100%가 상기 제2 레이저 빔과 중첩될 수 있다.
본 발명의 실시예는 제1 레이저 빔을 피처리 박막으로 조사하고, 피처리 박막에서 반사된 제1 레이저 빔을 반사시켜 피처리 박막으로 제2 레이저 빔이 조사되도록 한다. 이 때 상기 제2 레이저 빔이 상기 제1 레이저 빔이 조사된 영역의 적어도 일부와 중첩되도록 한다.
결정화에 유효한 레이저 빔의 유효 폭을 증가시키는 효과를 구현함으로써 결정화 품질을 일정 수준 이상으로 향상시킬 수 있다. 또한, 설비를 추가하지 않고도 결정화 품질을 높이며 생산성을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 열처리 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2a는 제1 레이저 빔의 프로파일(profile)을 도시한 도면이다.
도 2b는 제2 레이저 빔의 프로파일을 도시한 도면이다.
도 3a는 제1 레이저 빔이 피처리 박막에 조사되는 상태를 도시한 사시도이다.
도 3b는 제2 레이저 빔이 피처리 박막에 조사되는 상태를 도시한 사시도이다.
도 4는 피처리 박막에서 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔이 조사된 영역을 도시한 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 4의 부분 확대도이다.
도 6a 및 도 6b는 제1 및 제2 레이저 빔의 프로파일을 도시한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 비교예를 설명하기 위한 제1 및 제2 레이저 빔의 프로파일을 도시한 도면이다.
도 8 및 도 10은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 제1 및 제2 레이저 빔의 프로파일을 도시한 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 비교예를 설명하기 위한 제1 및 제2 레이저 빔의 프로파일을 도시한 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 비교예를 설명하기 위한 제1 및 제2 레이저 빔의 프로파일을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 열처리 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 박막 결정화 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 열처리 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 레이저 열처리 장치는 피처리 박막(110)이 형성된 기판(100)을 지지하며 일정한 속도로 이동하는 스테이지(10), 스테이지(10)가 이동하는 상태에서 피처리 박막(110)으로 제1 레이저 빔(L1)을 조사하는 레이저 조사부(20) 및 피처리 박막(110)에서 반사된 제1 레이저 빔(L1')을 반사시켜 피처리 박막(110)으로 제2 레이저 빔(L2)이 조사되도록 하는 반사 미러(40)를 포함할 수 있다.
스테이지(10)는 기판(100)이 지지 및 고정될 수 있는 판 형태로 구성될 수 있다. 스테이지(10)는 이송 수단(도시안됨)에 의해 일 방향 또는 양 방향으로 이동하도록 구성될 수 있다.
레이저 조사부(20)는 스테이지(10)의 상부에 배치될 수 있으며, 예를 들어, 엑시머 레이저 빔을 생성하여 출력할 수 있도록 구성될 수 있다. 상기 엑시머 레이저 빔은 수백 헤르쯔(Hz)의 주파수 및 수 와트(watt) 내지 수백 와트의 에너지를 갖는 펄스 형태로 출력될 수 있다.
레이저 조사부(20)에서 출력된 레이저 빔을 편의상 제1 레이저 빔(L1)이라 하면, 제1 레이저 빔(L1)은 스테이지(10)의 피처리 박막(110)으로 직접 조사되거나, 소정의 광학계(30)로서, 반사 미러나 렌즈 등을 통해 스테이지(10)의 피처리 박막(110)으로 조사될 수 있다.
반사 미러(40)는 피처리 박막(110)에서 반사되는 제1 레이저 빔(L1')을 반사시켜 피처리 박막(110)으로 제2 레이저 빔(L2)이 조사되도록 구성될 수 있다.
반사 미러(40)는 평면 미러나 오목 미러로 구성될 수 있으며, 제2 레이저 빔(L2)이 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역의 적어도 일부와 중첩될 수 있도록 반사각이 조절될 수 있다. 예를 들어, 반사 미러(40)를 x축, y축 및 z축 방향으로 움직일 수 있도록 구성된 구동 수단(도시 안됨)이 더 구비될 수 있다.
도 2a는 제1 레이저 빔(L1)의 프로파일(profile)을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2b는 제2 레이저 빔(L2)의 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다. 도면에서 가로 축은 레이저 빔의 폭을 도시하고, 세로 축은 레이저 빔의 에너지를 도시한다.
일반적으로 레이저 빔의 단면 프로파일은 레이저 빔이 조사되는 방향의 중심축을 기준으로 양측이 대칭된 형태를 가질 수 있다. 상기 중심축을 기준으로 중앙부에 대칭되도록 배치되며 비교적 일정한 에너지를 갖는 제1 영역과, 상기 제1 영역의 양측에 각각 배치되며 주변부로 갈수록 에너지가 점차적으로 감소하는 제2 영역을 포함할 수 있다.
도 2a를 참조하면, 제1 레이저 빔(L1)은 중심축을 기준으로 대칭되며, 예를 들어, 제1 에너지(E1)를 갖는 두 개의 제1 영역(a)과, 제1 영역(a)의 양측에 각각 배치되며 주변부로 갈수록 에너지가 점차 감소하는 두 개의 제2 영역(b)을 포함할 수 있다. 제2 영역(b)은 상기 중심축을 기준으로 서로 대칭되도록 배치되며 제1 영역(a)보다 작은 폭을 가질 수 있다.
도 2b를 참조하면, 제2 레이저 빔(L1)은 중심축을 기준으로 대칭되며, 예를 들어, 제1 에너지(E1)보다 작은 제2 에너지(E2)를 갖는 두 개의 제1 영역(a)과, 제1 영역(a)의 양측에 각각 배치되며 주변부로 갈수록 에너지가 점차 감소하는 두 개의 제2 영역(b)을 포함할 수 있다. 제2 영역(b)은 상기 중심축을 기준으로 서로 대칭되도록 배치되며 제1 영역(a)보다 작은 폭을 가질 수 있다.
제2 레이저 빔(L2)의 폭(2a+2b)은 제1 레이저 빔(L1)의 폭(2a+2b)과 동일할 수 있지만, 제2 레이저 빔(L2)의 제2 에너지(E2)는 피처리 박막(110)의 반사율에 의해 제1 레이저 빔(L1)의 제1 에너지(E1)에 비해 감소될 수 있다.
도 3a는 제1 레이저 빔(L1)이 피처리 박막(110)에 조사되는 상태를 도시한 사시도이고, 도 3b는 제2 레이저 빔(L2)이 피처리 박막(110)에 조사되는 상태를 도시한 사시도이다.
도 1 및 도 3a를 참조하면, 스테이지(10)가 일정 속도로 이동하는 상태에서 제1 레이저 빔(L1)이 피처리 박막(110)으로 조사될 수 있다.
제1 레이저 빔(L1)은 스테이지(10)의 표면에 대하여 90도보다 작은 각도로 조사되는 것이 바람직하며, 예를 들어, 일정한 폭과 길이를 갖는 선 형태로 조사될 수 있다.
도 3a에는 제1 레이저 빔(L1)이 집광되는 형태로 조사되는 경우를 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 광학계 등을 이용하여 제1 레이저 빔(L1)의 조사되는 형태를 발산하는 형태 또는 평행한 형태로 조절할 수 있다.
제1 레이저 빔(L1)의 폭과 길이는 레이저 조사부(20)의 성능에 따라 조절될 수 있지만, 필요한 에너지 밀도를 얻기 위해서는 제1 레이저 빔(L1)의 크기(폭 또는 길이)가 제한될 수 있다.
도 1 및 도 3b를 참조하면, 스테이지(10)가 일정 속도로 이동하는 상태에서 제2 레이저 빔(L2)이 피처리 박막(110)으로 조사될 수 있다.
제2 레이저 빔(L2)은 예를 들어, 제1 레이저 빔(L1)에 대응하는 폭과 길이를 갖는 선 형태로 조사될 수 있다.
제2 레이저 빔(L2)은 반사 미러(40)의 반사각에 의해 조사되는 각도가 조절될 수 있다. 반사 미러(40)의 반사각을 조절하여 피처리 박막(110)의 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역의 적어도 일부와 중첩되도록 제2 레이저 빔(L2)을 조사할 수 있다.
도 4는 피처리 박막(110)에서 제1 레이저 빔(L1)과 제2 레이저 빔(L2)이 조사된 영역을 각각 도시한 평면도이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)의 적어도 일부와 중첩되도록 제2 레이저 빔(L2)이 조사됨으로써 피처리 박막(110)에는 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)과 제2 레이저 빔(L2)이 조사된 영역(114)의 중첩된 영역(116)이 형성될 수 있다.
스테이지(10)가 일정 속도로 이동하면서 제1 레이저 빔(L1)과 제2 레이저 빔(L2)이 순차적으로 피처리 박막(110)으로 조사되기 때문에 상기 중첩된 영역(116)은 스테이지(10)가 이동하는 방향에 대하여, 상기 영역(112)의 전면에 위치될 수 있다. 즉, 스테이지(10)가 이동하는 방향에 대하여, 스테이지(10)의 전면으로부터 제2 레이저 빔(L2)이 조사된 영역(114), 중첩된 영역(116) 및 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)이 순차적으로 배치될 수 있다.
또한, 스테이지(10)가 일정 속도로 이동하면서 제1 레이저 빔(L1)과 제2 레이저 빔(L2)이 순차적으로 피처리 박막(110)으로 조사되기 때문에 상기와 같은 과정을 통해 피처리 박막(110)의 전체면이 열처리될 수 있다.
도 4에는 상기 중첩된 영역(116)이 스테이지(10)가 이동하는 방향에 대하여, 상기 영역(112)의 전면에 위치하는 경우를 일 실시예로 도시하였으나, 다른 실시예로서, 반사 미러(40)의 반사각을 조절하면 상기 중첩된 영역(116)이 상기 영역(112)의 후면에 위치하도록 할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 상기 영역(112 및 114)의 일부를 확대한 평면도이며, 도 6a 및 도 6b는 제1 및 제2 레이저 빔(L1 및 L2)의 프로파일을 도시한 도면이다. 도 6a 및 도 6b에서 가로 축은 레이저 빔의 폭을 도시하고, 세로 축은 레이저 빔의 에너지를 도시한다.
도 5a는 비교예로서, 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)과 제2 레이저 빔(L2)이 조사된 영역(114)이 서로 중첩되지 않은 경우를 도시한다. 도 5b는 본 발명의 실시예로서, 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)과 제2 레이저 빔(L2)이 조사된 영역(114)이 일부 중첩되어 중첩된 영역(116)이 형성된 경우를 도시한다.
상기 영역(112)은 제1 레이저 빔(L1)의 제1 영역(a)에 대응하는 제1 영역(112a)과, 제1 레이저 빔(L1)의 제2 영역(b)에 대응하는 제2 영역(112b)을 포함한다. 또한, 상기 영역(114)은 제2 레이저 빔(L2)의 제1 영역(a)에 대응하는 제1 영역(114a)과, 제2 레이저 빔(L2)의 제2 영역(b)에 대응하는 제2 영역(114b)을 포함한다.
도 5a 및 도 6a를 참조하면, 제1 에너지(E1)를 갖는 제1 레이저 빔(L1)과, 제1 에너지(E1)보다 작은 제2 에너지(E2)를 갖는 제2 레이저 빔(L2)이 각각 다른 영역(112 및 114)에 조사될 경우, 제1 레이저 빔(L1)의 제1 영역(a)에 대응하는 중앙부의 제1 영역(112a)은 제1 에너지(E1)에 의해 열처리가 충분하게 이루어질 수 있지만, 제1 레이저 빔(L1)의 제2 영역(b)에 대응하는 주변부의 제2 영역(112b)은 상대적으로 적은 에너지에 의해 열처리가 부족할 수 있다.
도 5b 및 도 6b를 참조하면, 제1 에너지(E1)를 갖는 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)과, 제1 에너지(E1)보다 작은 제2 에너지(E2)를 갖는 제2 레이저 빔(L2)이 조사된 영역(114)이 일부 중첩될 경우, 중첩된 영역(116)에서 두 번의 열처리에 의한 에너지의 증가(도 6b의 X 부분 참조)에 의해 제1 레이저 빔(L1)의 제2 영역(b)에 대응하는 주변부의 제2 영역(112b)의 열처리 정도가 개선될 수 있다. 도 6b에서 굵은 선은 상기 영역(112, 114 및 116) 전체에서의 에너지 분포를 도시한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 레이저 빔(L2)은 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)의 적어도 일부와 중첩되도록 조사될 수 있지만, 특히, 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)의 제2 영역(112b)의 20% 내지 100%와 중첩되도록 조사되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 반사 미러(40)에 연결된 구동 수단(도시 안됨)에 의해 반사 미러(40)의 반사각이 조절됨으로써 상기 중첩되는 정도가 조절될 수 있다.
도 5b 및 6b를 참조하면, 이 경우 제1 레이저 빔(L1)의 중심축에서 제2 레이저 빔(L2)의 중심축까지의 거리는 2a+b 내지 2a+1.8b 정도가 될 수 있다. 즉, 제1 레이저 빔(L1)만을 이용한 결정화 공정에 비해 레이저 빔의 유효 폭이 증가되는 효과가 구현되기 때문에 유효 결정화 면적이 증가될 수 있다.
만일, 제2 레이저 빔(L2)이 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)의 제2 영역(112b)의 20% 보다 적은 면적과 중첩될 경우, 도 7a에 도시된 바와 같이, 중첩되는 영역(116)에 대응하는 레이저 빔(E1 및 E2)의 에너지가 결정화에 유효한 에너지보다 작기 때문에 결정화가 부족하게 이루어질 수 있다. 또한, 제2 레이저 빔(L2)이 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)의 제2 영역(112b)의 100% 보다 넓은 면적까지 중첩될 경우, 즉, 제2 레이저 빔(L2)이 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)의 제2 영역(112b) 및 제1 영역(112a)의 일부와 중첩될 경우, 도 7b에 도시된 바와 같이, 중첩되는 영역(116)에 대응하는 레이저 빔(L1 및 L2)의 에너지가 결정화에 유효한 에너지, 예를 들어, 제1 에너지(E1)를 초과하기 때문에 과도한 결정화가 이루어질 수 있다.
상기 실시예에서는 제1 레이저 빔(L1)과 제2 레이저 빔(L2)의 폭(a 및 b)이 서로 동일한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 기구적 또는 광학적 조건을 조절하여 필요에 따라 제2 레이저 빔(L2)의 폭을 제1 레이저 빔(L1)의 폭보다 감소시키거나 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 스테이지(10)와 반사 미러(40) 사이의 거리를 조절하거나, 스테이지(10)와 반사 미러(40) 사이에 광학계(도시 안됨)를 추가하거나, 반사 미러(40)의 곡률 등을 조절하여 제2 레이저 빔(L2)의 폭을 조절할 수 있다.
먼저, 제2 레이저 빔(L2)의 폭이 제1 레이저 빔(L1)의 폭보다 감소된 경우를 도 8을 통해 설명하기로 한다.
도 8을 참조하면, 제1 레이저 빔(L1)은 중심축을 기준으로 대칭되며, 예를 들어, 제1 에너지(E1)를 갖는 두 개의 제1 영역(a)과, 제1 영역(a)의 양측에 각각 배치되며 주변부로 갈수록 에너지가 점차 감소하는 두 개의 제2 영역(b)을 포함할 수 있다.
또한, 제2 레이저 빔(L1)은 중심축을 기준으로 대칭되며, 예를 들어, 제1 에너지(E1)보다 작은 제2 에너지(E2)를 갖는 두 개의 제1 영역(c)과, 제1 영역(c)의 양측에 각각 배치되며 주변부로 갈수록 에너지가 점차 감소하는 두 개의 제2 영역(d)을 포함할 수 있다. 제2 레이저 빔(L1)의 제1 및 제2 영역(c 및 d)의 폭은 제1 레이저 빔(L1)의 제1 및 제2 영역(a 및 b)의 폭보다 작다.
이 경우 제1 레이저 빔(L1)의 중심축에서 제2 레이저 빔(L2)의 중심축까지의 거리는 a+b+c 내지 a+0.8b+c+d 정도가 될 수 있다. 즉, 제1 레이저 빔(L1)만을 이용한 결정화 공정에 비해 레이저 빔의 유효 폭이 증가되는 효과가 구현되기 때문에 유효 결정화 면적이 증가될 수 있다.
만일, 제2 레이저 빔(L2)이 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)의 제2 영역(112b)의 20% 보다 적은 면적과 중첩될 경우, 도 9a에 도시된 바와 같이, 중첩되는 영역(116)에 대응하는 레이저 빔(L1 및 L2)의 에너지가 결정화에 유효한 에너지보다 작기 때문에 결정화가 부족하게 이루어질 수 있다. 또한, 제2 레이저 빔(L2)이 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)의 제2 영역(112b)의 100% 보다 넓은 면적까지 중첩될 경우, 도 9b에 도시된 바와 같이, 중첩되는 영역(116)에 대응하는 레이저 빔(L1 및 L2)의 에너지가 결정화에 유효한 에너지, 예를 들어, 제1 에너지(E1)를 초과하기 때문에 과도한 결정화가 이루어질 수 있다.
다음으로, 제2 레이저 빔(L2)의 폭이 제1 레이저 빔(L1)의 폭보다 증가된 경우를 도 10을 통해 설명하기로 한다.
도 10을 참조하면, 제1 레이저 빔(L1)은 중심축을 기준으로 대칭되며, 예를 들어, 제1 에너지(E1)를 갖는 두 개의 제1 영역(a)과, 제1 영역(a)의 양측에 각각 배치되며 주변부로 갈수록 에너지가 점차 감소하는 두 개의 제2 영역(b)을 포함할 수 있다.
또한, 제2 레이저 빔(L1)은 중심축을 기준으로 대칭되며, 예를 들어, 제1 에너지(E1)보다 작은 제2 에너지(E2)를 갖는 두 개의 제1 영역(c)과, 제1 영역(c)의 양측에 각각 배치되며 주변부로 갈수록 에너지가 점차 감소하는 두 개의 제2 영역(d)을 포함할 수 있다. 제2 레이저 빔(L1)의 제1 및 제2 영역(c 및 d)의 폭은 제1 레이저 빔(L1)의 제1 및 제2 영역(a 및 b)의 폭보다 크다.
이 경우 제1 레이저 빔(L1)의 중심축에서 제2 레이저 빔(L2)의 중심축까지의 거리는 a+c+d 내지 a+b+c+0.8d 정도가 될 수 있다. 즉, 제1 레이저 빔(L1)만을 이용한 결정화 공정에 비해 레이저 빔의 유효 폭이 증가되는 효과가 구현되기 때문에 유효 결정화 면적이 증가될 수 있다.
만일, 제2 레이저 빔(L2)이 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)의 제2 영역(112b)의 20% 보다 적은 면적과 중첩될 경우, 도 11a에 도시된 바와 같이, 중첩되는 영역(116)에 대응하는 레이저 빔(L1 및 L2)의 에너지가 결정화에 유효한 에너지보다 작기 때문에 결정화가 부족하게 이루어질 수 있다. 또한, 제2 레이저 빔(L2)이 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)의 제2 영역(112b)의 100% 보다 넓은 면적까지 중첩될 경우, 도 11b에 도시된 바와 같이, 중첩되는 영역(116)에 대응하는 레이저 빔(L1 및 L2)의 에너지가 결정화에 유효한 에너지, 예를 들어, 제1 에너지(E1)를 초과하기 때문에 과도한 결정화가 이루어질 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 열처리 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 12를 참조하면, 도 1에 도시된 레이저 열처리 장치는 진공 등과 같이 일정한 분위기 조건이 유지될 수 있는 챔버(50)의 내부에 배치될 수 있다.
레이저 조사부(20)는 챔버(50)의 내부 또는 챔버(50)의 외부에 배치될 수 있다. 레이저 조사부(20)를 챔버(50)의 외부에 배치할 경우 비교적 복잡한 구조를 갖는 레이저 조사부(20)의 유지 및 관리가 용이할 수 있다. 이 경우 챔버(50)의 측벽에 투과창(52)을 형성하여 레이저(L1)가 에너지 및 직진성을 유지하며 챔버(50)의 내부로 제공될 수 있도록 할 수 있다.
그러면 본 발명의 실시예에 따른 레이저 열처리 장치를 이용한 박막 결정화 방법을 통해 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 박막 결정화 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 피처리 박막(110)이 형성된 기판(100)을 스테이지(10)에 장착한다(단계 S1).
피처리 박막(110)은 반도체 박막으로서, 예를 들어, 비정질 실리콘 박막일 수 있다. 피처리 박막(110)은 기판(100)의 전면에 걸쳐 일정한 두께로 증착될 수 있다.
스테이지(10)를 일 방향 예를 들어, 수평 방향으로 일정 속도로 이동시킨다(단계 S2). 그리고 스테이지(10)가 이동하는 상태에서 피처리 박막(110)으로 제1 레이저 빔(L1)을 조사한다(단계 S3).
레이저 조사부(20)에서 출력된 제1 레이저 빔(L1)이 광학계(30) 등에 의해 경로가 변경되어 스테이지(10)의 피처리 박막(110)으로 조사될 수 있다. 제1 레이저 빔(L1)은 스테이지(10)의 표면에 대하여 90도보다 작은 각도, 예를 들어, 35도 내지 65도 정도로 조사되는 것이 바람직하며, 일정한 폭과 길이를 갖는 선 형태로 조사될 수 있다. 제1 레이저 빔(L1)은 예를 들어, 엑시머 레이저 빔으로서, 수백 헤르쯔(Hz)의 주파수 및 수 와트(watt) 내지 수백 와트의 에너지를 갖는 펄스 형태로 조사될 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1 레이저 빔(L1)이 조사됨으로써 피처리 박막(110)의 일 영역(112)에서 비정질 실리콘이 결정화되어 다결정 실리콘으로 변화될 수 있다. 이 때 비정질 실리콘은 열에 의해 용융되어 액상의 실리콘(Si)으로 변화되고, 이 후 응고되면서 결정화될 수 있다.
피처리 박막(110)에서 반사되는 제1 레이저 빔(L1)을 반사시켜 피처리 박막(110)으로 제2 레이저 빔(L2)이 조사되도록 한다(단계 S4).
상기 액상의 실리콘(Si)은 60% 내지 70% 정도의 비교적 높은 표면 반사율을 갖는다. 이에 의해 제1 레이저 빔(L1)은 피처리 박막(110)의 표면에서 반사될 수 있다.
피처리 박막(110)의 표면에서 반사된 제1 레이저 빔(L1')은 스테이지(10)의 표면에 대하여 일정 각도로 반사되어 반사 미러(40)로 입사될 수 있다. 또한, 반사 미러(40)에서 반사된 제2 레이저 빔(L2)은 다시 피처리 박막(110)으로 조사될 수 있다.
이 때 제2 레이저 빔(L2)이 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)의 적어도 일부와 중첩되도록 조사됨으로써 제2 레이저 빔(L2)이 조사된 영역(114)의 일부는 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)의 적어도 일부와 중첩될 수 있다.
도 5a 및 도 6a를 통해 설명한 바와 같이, 만일, 제1 에너지(E1)를 갖는 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)과, 제1 에너지(E1)보다 작은 제2 에너지(E2)를 갖는 제2 레이저 빔(L2)이 조사된 영역(114)이 중첩되지 않을 경우, 주변부의 제2 영역(112b)은 상대적으로 작은 에너지에 의해 결정화 정도가 부족할 수 있다. 예를 들어, 결정입자(crystal grain)의 크기가 작고 균일도가 낮아 전계효과 이동도가 낮고 소자 간의 특성 차이가 발생할 수 있으며, 격자결함(lattice defect)이 많아 누설전류가 유발될 수 있다.
그러나 도 5b 및 도 6b를 통해 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 중첩된 영역(116)에서 두 번의 열처리에 의한 에너지의 증가에 의해 제2 영역(112b)의 결정화 정도가 개선될 수 있다. 예를 들어, 결정입자의 크기 및 균일도가 증가되고 격자결함이 감소될 수 있다.
제2 레이저 빔(L2)의 제2 에너지(E2)는 제1 레이저 빔(L1)의 제1 에너지(E1)보다 작기 때문에 제2 레이저 빔(L2)이 조사된 영역(114)의 결정화 정도는 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)보다 낮지만, 스테이지(10)의 이동에 의해 피처리 박막(110)이 일 방향으로 이동하는 상태에서 제1 레이저 빔(L1)이 수백 헤르쯔(Hz)의 펄스 형태로 조사되기 때문에 상기와 같은 과정을 통해 피처리 박막(110)의 전체 영역이 거의 균일하게 결정화될 수 있다.
레이저 열처리 장치는 레이저 조사부(20)의 성능에 따라 레이저 빔(L1)의 폭과 길이를 증가시키는 데 한계가 있다. 즉, 결정화에 유효한 에너지 밀도를 얻기 위해서는 레이저 빔(L1)의 크기가 제한될 수 있다.
결정화에 필요한 에너지 밀도를 유지할 수 있는 범위 내에서 레이저 빔의 폭을 증가시키면 길이가 감소될 수 있으며, 길이를 증가시키면 폭이 감소될 수 있다. 결정화에 필요한 에너지 밀도를 유지하면서 레이저 빔의 폭을 증가시키기 위해서는 상기 레이저 빔과 인접하도록 다른 레이저 빔을 더 추가해야 하는데, 이를 위해서는 설비를 추가해야 한다.
하지만, 본 발명의 실시예에 따르면, 반사되는 레이저 빔을 이용하여 제1 레이저 빔(L1)이 조사된 영역(112)과 제2 레이저 빔(L2)이 조사된 영역(114)이 일부 중첩되도록 함으로써 결정화에 유효한 레이저 빔의 유효 폭을 증가시키는 효과를 구현할 수 있다. 레이저 빔의 유효 폭이 증가되면 피처리 박막(110) 전체에 대한 결정화 과정에서 레이저 빔의 중첩률이 높아지기 때문에 결정화 품질이 향상될 수 있으며 생산성을 높일 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예는 설비를 추가하지 않고도 결정화 품질을 일정 수준 이상으로 향상시키며 생산성을 유지할 수 있도록 한다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 스테이지
20: 레이저 조사부
30: 광학계
40: 반사 미러
50: 챔버
52: 투과창
100: 기판
110: 피처리 박막
112, 114, 116: 레이저 빔이 조사된 영역

Claims (19)

  1. 피처리 박막이 형성된 기판을 지지하며 일정한 속도로 이동하는 스테이지;
    상기 스테이지가 이동하는 상태에서 상기 피처리 박막으로 제1 레이저 빔을 조사하는 레이저 조사부; 및
    상기 피처리 박막에서 반사된 제1 레이저 빔을 반사시켜 상기 피처리 박막으로 제2 레이저 빔이 조사되도록 하는 반사 미러를 포함하며,
    상기 피처리 박막의 상기 제1 레이저 빔이 조사된 영역은 중앙부의 제1 영역과, 상기 제1 영역의 양측에 각각 배치되는 제2 영역을 포함하며,
    상기 제2 영역에 조사되는 상기 제1 레이저 빔의 에너지는 상기 피처리 박막을 결정화하기 위한 에너지보다 작고,
    상기 반사 미러는 상기 제2 영역의 20% 내지 100%가 상기 제2 레이저 빔과 중첩되도록 반사각이 조절되는 레이저 열처리 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제2 영역에 대응하는 상기 제1 레이저 빔의 에너지는 상기 제1 영역에 대응하는 상기 제1 레이저 빔의 에너지보다 작은 레이저 열처리 장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제2 레이저 빔과 중첩되는 상기 제2 영역은 상기 스테이지가 이동하는 방향에 대하여, 상기 제1 영역보다 전면에 위치되는 레이저 열처리 장치.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔은 엑시머 레이저 빔인 레이저 열처리 장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔은 펄스 형태로 조사되는 레이저 열처리 장치.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔은 선 형태로 조사되는 레이저 열처리 장치.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 반사 미러는 평면 미러 및 오목 미러 중 어느 하나로 이루어진 레이저 열처리 장치.
  10. 피처리 박막이 형성된 기판을 스테이지에 장착하는 단계;
    상기 스테이지를 일정 속도로 이동시키는 단계;
    상기 피처리 박막으로 제1 레이저 빔을 조사하는 단계; 및
    상기 피처리 박막에서 반사된 상기 제1 레이저 빔을 반사시켜 상기 피처리 박막으로 제2 레이저 빔이 조사되도록 하는 단계를 포함하며,
    상기 피처리 박막의 상기 제1 레이저 빔이 조사된 영역은 중앙부의 제1 영역과, 상기 제1 영역의 양측에 각각 배치되는 제2 영역을 포함하며,
    상기 제2 영역에 조사되는 상기 제1 레이저 빔의 에너지는 상기 피처리 박막을 결정화하기 위한 에너지보다 작고,
    상기 제2 영역의 20% 내지 100%가 상기 제2 레이저 빔과 중첩되도록 조사되는 박막 결정화 방법.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 피처리 박막은 비정질 실리콘을 포함하는 박막 결정화 방법.
  12. 제10 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔은 엑시머 레이저 빔인 박막 결정화 방법.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔은 펄스 형태로 조사되는 박막 결정화 방법.
  14. 제10 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔은 선 형태로 조사되는 박막 결정화 방법.
  15. 제10 항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔은 상기 스테이지의 표면에 대하여 90도보다 작은 각도로 조사되는 박막 결정화 방법.
  16. 삭제
  17. 제10 항에 있어서, 상기 제2 영역에 대응하는 상기 제1 레이저 빔의 에너지는 상기 제1 영역에 대응하는 상기 제1 레이저 빔의 에너지보다 작은 박막 결정화 방법.
  18. 제10 항에 있어서, 상기 제2 레이저 빔과 중첩되는 상기 제2 영역은 상기 스테이지가 이동하는 방향에 대하여, 상기 제1 영역보다 전면에 위치되는 박막 결정화 방법.
  19. 삭제
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