KR20030017835A - 회전 마스크 패턴을 사용한 에스엘에스 공정 방법 및 그장치 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

회전 마스크 패턴을 사용하여 SLS 공정의 시간을 단축시키면서 막의 질을 향상시키는 방법 및 그 장치

2. 발명이 이루고자 하는 기술적 과제

우수한 결정막질의 SLS 패널을 짧은 시간에 만들어 보다 우수한 패널을 양산할 수 있는 수단을 제공하고자 함.

3. 발명의 해결방법의 요지

SLS 결정화를 위한 마스크의 미세패턴을 스테이지의 스캐닝 축과 임의의 회전각을 가지도록 하면 한번의 스테이지 스캐닝 만으로 뉴클리에이션 영역이 없는 SLS 결정화 라인을 얻을 수 있으므로 보다 빠른 시간 안에 양질의 SLS 결정화 패널을 얻을 수 있게 된다.

4. 발명의 중요한 용도

상기와 같이 구성된 본 발명은 LCD 패널 제조를 위한 SLS 공정에 적용되어 SLS 결정화 패널의 품질과 생산성을 향상시키는 데 사용할 수 있다.

Description

회전 마스크 패턴을 사용한 에스엘에스 공정 방법 및 그 장치 {A SLS process and apparatus using rotational mask pattern}

본 발명은 저온 폴리 실리콘 (Low Temperature poly-Silicon), 혹은 단결정실리콘 (Single Crystal Silicon) TFT 제작을 위한 SLS (Sequential Lateral Solidification) 공정을 진행함에 있어서 레이저가 조명 되는 마스크의 격자 (grating) 패턴을 유리, 실리콘 웨이퍼, 혹은 플라스틱 기판 이송을 위한 스테이지의 스캐닝 축과 임의의 각도 α만큼 회전각을 가지도록 하여 우수한 품질의 폴리, 단결정 실리콘 결정막을 얻는 동시에 공정의 생산성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.

폴리 실리콘 TFT 를 사용함으로써 LCD, EL 디스플레이 패널의 동작 속도를 향상 시키고, 또한 주변 구동회로를 기판상에 일체화 시키려는 노력은 TFT 디스플레이의 고화질화, 제작 비용 절감 등을 목적으로 현재도 다양한 연구가 이루어 지고 있다. 그러나 종래의 방법들은 그 방법으로 형성되는 폴리 실리콘 결정의 그레인(grain) 크기가 작고 또한 그레인의 구성이 불균일하여 대면적 디스플레이 장치에 적용하기에는 어려움이 있으며, 따라서 개인용 소형 단말기, PDA, 혹은 프로젝터 내장용과 같은 소면적 고밀도 LCD 에만 제한적으로 적용되고 있다.

레이저를 이용한 저온 폴리 실리콘 TFT 공정에 있어서 종래의 방법에서는 실린드리컬 (cylindrical) 광학계를 사용한다. 이 방법에서는 0.5mm 의 폭과 200mm 이상의 길이를 갖는 슬릿 형태의 긴 광속을 형성시키고 이를 비정질 실리콘 막에 노광(exposure)함으로써 폴리 실리콘 막을 형성해 주고 있다. 이러한 종래의 방법에서는 비정질 실리콘 막에 노광 되는 레이저 빔의 에너지 밀도가 비교적 낮고 또한 노광 되는 레이저 빔의 분포가 넓기 때문에 부분적으로 순간 융용된 비정질 실리콘 막 내에서 국부적으로 임의 존재하는 seed에 의존하여 결정이 형성 되며, 그결과 폴리 실리콘의 그레인 크기는 작고 불규칙하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 제안된 새로운 방법이 SLS(Sequential Lateral Solidification)방법이다. SLS 방법에서는 비정질 실리콘 막에 한번에 노광 하는 미세패턴의 넓이를 이러한 노광에 의해서 형성시킬 수 있는 하나의 그레인 크기로 제한하여 노광하고, 이로한 노광 패턴을 중첩하면서 연속적으로 노광 시켜 나가는 방법을 사용한다. 광원으로는 일반적으로 고출력 자외선 펄스 레이저인 엑시머 레이저를 사용하며 격자 형태의 미세 패턴을 만들기 위해 마스크를 사용한다.

이와 같은 SLS 공정 장비는 ~수 ㎛ 의 미세 패턴을 형성할 수 있는 광학계와 정밀 위치 제어를 위한 스테이지계가 필수적이다.

도 1 에 일반적인 SLS 공정 장비의 개념을 나타내었다. 도 1 에서 살펴보면 SLS 공정을 위한 장치는 레이저 광원에서 나온 빔을 일정한 형상으로 확대 정형하기 위한 광속 확대기 1, 광속 확대기 1 를 통과한 레이저 빔의 공간적 균일도를 형성하기 위한 homogenizer 2, 조명광을 마스크 4 에 집속하기 위한 콘덴서 렌즈 3, 그리고 노광하고자 하는 미세패턴의 원본인 마스크 4, 마스크 4 의 형상을 기판 6 에 투영하기 위한 축소 투영 광학계 5, 그리고 기판 6 의 정밀 위치 제어를 위한 스테이지 7 로 구성되어 진다.

한편, 앞서 설명한 SLS 공정을 효율적으로 하기 위해 다양한 공정 방법과 그에 따른 마스크 공정 설계 방법, 또한 장비기술 방법 등이 제안되고 있으나 이러한 방법들은 기판에 형성되는 막의 질과 수율을 동시에 만족시키는 데에 어려움이 있다.

예로, 기존에 제안된 공정 방법 중 하나인 'N shot process'는 한 번의 노광으로 형성시킬 수 있는 그레인 크기를 미세 패턴의 폭으로 하여 스테이지를 패턴의 길이 방향으로 스캐닝 하면서 연속 노광한 다음, 미세 패턴을 폭 방향으로 1/N 씩 중첩하여 연속적으로 노광시켜 나가는 방법을 사용한다. 이 방법에서는 노광 패턴의 중첩을 위해 N 번의 패턴 폭 방향의 노광 과정이 있어야 한다는 단점이 있으며 N 을 작게 할수록 길이 방향의 노광 과정의 수가 적어져서 생산성이 높아지지만 노광 패턴의 중첩 영역도 그만큼 줄어들기 때문에 전체적인 막의 질은 떨어지게 된다.

또 다른 기존의 방법인 'scan & step process'는 미세패턴의 폭 방향으로 스테이지를 연속적으로 스캐닝 하며 중첩 노광을 하고 노광 field 영역이 모두 결정화 되면 노광 field 크기만큼 스테이지를 스텝 하여 다시 중첩 노광을 실시하는 방법이다. 이 방법은 스테이지의 움직임이 느려졌다가 빨라지는 스캔과 스텝 이동의 연속이므로 스텝 이동 시, 빠른 시간 내에 정밀한 위치 결정이 이루어 져야만 다음 스캔을 원하는 정밀도로 구동 할 수 있다. 이러한 공정은 정밀 스테이지 구성에 상당히 큰 부담을 줄 뿐 아니라 이송 속도를 충분히 빠르게 할 수 없기 때문에 생산성에 문제가 있다.

SLS 공정을 보다 효율적으로 하여 기판에 형성되는 막의 질과 수율을 동시에 만족시키는 마스크 패턴의 설계 방법 및 공정 방법을 개발하는 것을 목표로 한다.

도 1 은 SLS 공정을 위한 일반적인 장치를 설명하기 위한 도면이며,

도 2 는 본 발명을 통해서 제시하는 회전 마스크의 원리와 특징을 설명하기 위한 도면이며,

도 3 은 회전 마스크를 사용하여 SLS 공정이 이루어지는 과정을 나타낸 도면이며,

도 4 는 마스크의 설계 조건을 만족하지 않는 경우의 SLS 공정 결과를 나타낸 도면이며,

도 5 는 설계 조건을 만족하는 회전 마스크를 사용하는 경우의 SLS 공정 결과를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 광속 확대기

2 : Homogenizer

3 : 콘덴서 렌즈

4 : 마스크

5 : 축소투영 광학계

6 : 기판

7 : 정밀 위치 제어 스테이지

8 : 격자 형태의 미세패턴

9 : 레이저 빔이 투과할 수 있는 투명한 단일 격자

10 : 레이저 빔이 투과할 수 없는 불투명한 단일 격자

11 : 마스크의 미세패턴 구조에 의해 노광 되지 않는 영역

12 : 격자의 양쪽 끝 부분으로 질이 좋은 결정화 막이 형성되는 영역

13 : 결정화 막의 질이 좋지 않은 뉴클리에이션 영역

14 : 단일 노광에 의한 스캐닝 방향의 격자 패턴 이동 거리

15 : 단일 노광에 의한 격자 패턴 법선 방향의 이동 거리

16 : 마스크의 설계 조건을 만족하지 않는 경우, 부분적으로 결정화가 이루어지지 않는 영역

17 : 마스크 설계 조건을 만족하는 경우, 결정화가 이루어지는 영역

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 레이저가 조명되는 마스크의 미세 패턴을 기판 이송 스테이지의 스캐닝 축과 임의의 각도 α를 가지도록 제작하여 기판 이송 스테이지의 이동속도를 높여 공정 속도를 높이면서도 노광된 폴리 실리콘 막에서의 뉴클리에이션(nucleation) 영역을 중첩 노광에 의해 재결정화 하는 과정이 자연스럽게 포함되도록 하는 공정 방법을 사용하여 전체적으로 기판 전체에 걸쳐 결정화된 실리콘 막의 품질과 생산성을 향상시키도록 한다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명을 통하여 제안하는 마스크의 미세 패턴 구조는 도 2 에 나타난 바와 같이 격자 형태의 미세패턴 8 을 기판 스테이지의 스캐닝 축 방향과 회전각 α를 가지도록 하는 구조이다. 이러한 마스크의 미세패턴 8 은 광학계에 의해 기판에 축소 투영된다. 도 2 에서, 회전각 α는 미세패턴 8 과 기판 스테이지의 스캐닝축 사이의 회전각, Bx 는 격자 형태 미세패턴 8 의 횡축 방향의 전체 길이, By 는 격자 형태 미세패턴 8 의 종축 방향 전체 길이를 나타내며, Sl 은 미세패턴 8 에 있어서 레이저 빔이 투과할 수 있는 투명한 단일격자 9 의 폭, Sp 는 불투명한 단일 격자 10 의 폭을 나타낸다.

도 3 은 도 2 에 설명한 마스크 패턴 8 을 사용한 결정화 공정의 진행 과정을 설명하기 위한 도면이다. 예로 스테이지를 이동하면서 레이저 빔에 의해 3 번 노광 되었다고 가정하였을 때, 도면에서 나타낸 바와 같이 노광되지 않은 부분 11,노광에 의해 격자의 양쪽 끝 부분으로 질이 좋은 결정화 막이 형성되는 부분 12, 노광이 되기는 하지만 결정화 막의 질이 좋지 않은 뉴클리에이션 부분 13 으로 나타낼 수 있다. 한편, 여기서 단일 노광에 의한 격자 패턴의 법선 방향 이동거리는 to, 스캐닝 축 방향의 이동거리를 tx 로 나타낼 수 있다.

따라서, 전체적으로 질이 좋은 결정화 막을 얻기 위해서는 격자 패턴의 법선 방향의 이동거리 to 는 노광에 의해 격자의 양쪽 끝 부분으로 질이 좋은 결정화 막이 형성되는 영역 12 의 거리가 되어야만 한다. 한편, 이와 같은 공정을 진행하면서 도 2 와 같이 마스크를 설계할 경우, 전체적으로 결정화가 되지 않는 부분 11 이 계속 남아있을 수 있다. 다시 말하면 미세패턴 들이 연속해서 스캐닝 하며 이동하여 첫번째 노광 부분과 겹치는 영역이 없는 상태가 되었을 때 첫번째 노광 부분의 오른쪽 끝부분은 모두 결정화 되어있어야 계속해서 결정화가 될 수 있다. 또한 모두 결정화되는 첫번째 노광 영역의 오른쪽 끝부분의 횡축 방향의 길이가 횡축 방향의 이동거리 tx 보다 작으면 스페이스 부분에 계속해서 결정화되지 않는 부분이 존재하게 된다.

도 4 는 오른쪽 끝부분에 모두 결정화되는 영역이 있기는 하지만 그 횡축 방향의 길이가 횡축 방향의 이동거리 tx 보다 작은 경우의 결정화 결과를 보여준다. 기술한 바와 같이 마스크의 설계 조건을 만족하지 않았으므로 결정화되지 않는 부분 16 이 반복적으로 생긴다. 앞에서 기술한 사항을 다음과 같은 수식으로 표현할 수 있다.

(1)

단,는 1 이상의 정수

식 (1) 에서,는 격자 패턴의 대각선 방향의 폭을 나타낸다. 따라서 오른쪽 수식의 첫번째 항은 스페이스만큼 이동하는데 필요한 이동회수를 나타내며 이동 회수이므로 정수이어야 한다. 만약 0 이라면 Bx 만큼 한번에 이동하는 경우이므로 목적에 맞지 않는다. 이 항에 tx 를 곱하면 이동 거리가 되며 이만큼 이동했을 때 첫번째 노광의 오른쪽 부분이 tx 이상의 길이만큼 결정화되어 있어야 하므로 위와 같은 제한 조건이 성립된다. 식 (1)의 조건으로부터 지배방정식을 유도해보면 다음과 같다. 식 (1)에서 α는 매우 작은 값이므로는 1 로 근사화 할 수 있으며 tx는 클수록 스캐닝 속도가 빨라져 수율이 향상되므로 설계방정식을 다음과 같이 생각할 수 있다.

(2)

단,는 1 이상의 정수

따라서, 식 (2)와 같은 설계방정식을 만족하는 미세패턴이 있는 마스크를 사용한다면 결국 스테이지의 스캐닝 속도를 높일 수 있으므로 수율을 향상시키면서 품질이 좋은 SLS 결정화 기판을 만들 수 있다. 수율을 극대화 시킬 수 있는 마스크의 형태를 설계하기 위해 최적설계 과정을 적용한다. 기판 1 장이 결정화하는데 걸리는 시간은 위의 설계 변수들과 스테이지의 성능에 관련된 함수이다. 따라서 각각의 변수들과 스테이지의 성능 변수들을 변화시키면서 기판 1 장이 결정화하는데 걸리는 시간을 최소로 하는 조건을 찾아 설계한다. 이와 같은 과정을 통해 설계한 경우 기존의 2 shot process 에 비해서도 최소한 9.5% 이상의 수율 향상을 기대할 수 있다.

도 5 는 식 2 와 같은 설계 조건을 만족하는 마스크를 사용한 경우의 SLS 공정 결과를 나타내며 마스크 설계 조건을 마족하였으므로 결정화가 이루어지는 영역 17 이 나타난다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 폴리 실리콘, 혹은 단결정 실리콘 TFT 제작을 위한 SLS 공정에 적용되어 SLS 결정화 패널의 품질과 생산성을 동시에 향상시키는 효과를 가져 온다.

Claims (5)

1. 레이저를 광원으로 하고 스테이지와 광학계 및 마스크로 이루어진 SLS 공정용 장치에 있어서, 마스크의 패턴을 스테이지계의 스캐닝축 또는 종축과 일정한 회전 각을 이루게 함으로써 별도의 패턴 중첩과정 없이 패턴 자체의 특성으로 인해 중첩이 이루어지도록 하는 방법 혹은 그 장치
2. 청구항 1 에 있어서,

   회전 마스크 패턴을 사용하여 재결정화 과정 없이 SLS 공정을 하는 방법 혹은 그 장치
3. 청구항 1 에 있어서,

   회전 마스크 패턴을 사용하여 SLS 공정의 생산성을 향상시키는 방법 및 장치
4. 청구항 1 에 있어서,

   회전 마스크 패턴의 설계 조건 및 설계 방법
5. 기존의 마스크를 스테이지계의 횡축 또는 종축 방향과 경사지도록 설치하여 SLS 공정의 생산성을 향상시키는 방법 및 장치