KR20050054444A - 레이저 결정화 장치 및 레이저 결정화 방법 - Google Patents

레이저 결정화 장치 및 레이저 결정화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 결정화 장치 및 레이저 결정화 방법에 관한 것으로, CW 레이저를 사용한 경우에도 처리량을 높게 할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
레이저 결정화 장치는 반도체층이 형성된 기판을 지지하는 이동 가능한 스테이지와, 레이저광을 시분할로 복수의 광로(33, 34)로 나누는 장치(36)와, 각 광로를 통과하는 레이저광을 집광하여 스테이지에 지지된 기판의 반도체층에 조사하는 광학 장치(37, 38)를 구비한 구성으로 한다.

Description

레이저 결정화 장치 및 레이저 결정화 방법 {LASER CRYSTALLIZATION APPARATUS AND LASER CRYSTALLIZATION METHOD}
본 발명은 레이저 결정화 장치 및 레이저 결정화 방법에 관한 것이다.
액정 표시 장치는 TFT를 포함하는 액티브 매트릭스 구동 회로를 포함한다. 또한, 시스템 액정 표시 장치는 표시 영역 주위의 주변 영역에 TFT를 포함하는 전자 회로를 포함한다. 저온 폴리 Si는 액정 표시 장치의 TFT 및 시스템 액정 표시 장치의 주변 영역의 TFT를 형성하는 데 적합하다. 또한, 저온 폴리 Si는 유기 EL에서의 화소 구동용 TFT나 유기 EL에서의 주변 영역의 전자 회로에의 적용도 기대받고 있다. 본 발명은 저온 폴리 Si로 TFT를 만들기 위해 CW 레이저(연속 발진 레이저)를 이용한 반도체 결정화 방법 및 장치에 관한 것이다.
저온 폴리 Si로 액정 표시 장치의 TFT를 형성하기 위해, 종래에는 유리 기판에 비정질 실리콘막을 형성하고, 유리 기판의 비정질 실리콘막에 엑시머 펄스 레이저를 조사하여 비정질 실리콘을 결정화하고 있었다. 최근, 유리 기판의 비정질 실리콘막에 CW 고체 레이저를 조사하여 비정질 실리콘을 결정화하는 결정화 방법이 개발되었다(예를 들어 특허 문헌 1, 비특허 문헌 1 참조). 비정질 실리콘은 레이저광에 의해 용융되고, 그 후 고화하여 고화된 부분이 폴리실리콘이 된다.
엑시머 펄스 레이저에 의한 실리콘의 결정화에서는 이동도가 150 내지 300(㎠/Vs) 정도인데 반해, CW 레이저에 의한 실리콘의 결정화에서는 이동도가 400 내지 600(㎠/Vs) 정도를 실현할 수 있어 고성능의 폴리실리콘을 형성하는 데 유리하다.
실리콘의 결정화에서는 비정질 실리콘막을 레이저 빔으로 스캔한다. 이 경우, 실리콘막을 갖는 기판을 가동 스테이지에 탑재하여 고정 레이저 빔에 대해 실리콘막을 움직이면서 스캔을 행한다. 엑시머 펄스 레이저에서는, 예를 들어 빔 스폿이 27.5 ㎝ × 0.4 ㎜의 레이저 빔으로 스캔할 수 있다. 한편, CW 고체 레이저에서는 빔 스폿이 작기 때문에 원통형 렌즈 등의 광학계를 이용하여 기판 상에 타원형의 스폿으로서 집광한다. 이 경우, 예를 들어 빔 스폿이 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛가 되고, 타원의 장축 방향에 대해 수직인 방향으로 스캔한다. 이와 같이, CW 고체 레이저에 의한 결정화에서는 품질이 우수한 폴리실리콘을 얻을 수 있지만, 처리량이 낮아지는 문제가 있었다.
[특허 문헌 1]
일본 특허 공개 제2003-86505호 공보
[비특허 문헌 1]
전자 정보 통신학회 논문지, VOL.J85-CNO.8, 2002년 8월
CW 레이저에서는 빔 스폿이 작기 때문에, 1회의 스캔으로는 결정화되는 비정질 실리콘의 면적이 작기 때문에 연속적으로 다수회의 스캔을 행하여 필요한 면적의 비정질 실리콘을 결정화한다. 이 경우, 이동 가능한 스테이지에 유리 기판을 두고, 래스터 스캔으로 행하여 왕로에 있어서의 스캔의 빔 트레이스와 그 다음의 복로에 있어서의 스캔의 빔 트레이스가 부분적으로 오버랩되도록 하고 있다. 오버랩량이 작으면 2개의 빔 트레이스 사이에 결정화되어 있지 않은 영역이 생길 가능성이 있으므로, 오버랩량은 여유량을 예상해서 정하고 있다. 한편, 오버랩량이 크면 2개를 합한 빔 트레이스의 폭이 작아져 처리량이 저하된다.
최근 연구에서는 빔 트레이스가 미소하게 사행되는 것을 알 수 있었다. 일반적으로 스테이지의 운동은 직선 운동이지만, 실제로는 직선 운동을 시키려고 해도 미소한 사행을 수반하므로, 1회의 스캔으로 결정화된 빔 트레이스는 이후에 나타내는 바와 같이 사행되어 있다. 사행이 있으면, 2개의 빔 트레이스 사이의 오버랩량을 증가시킬 필요가 있고, 그로 인해 처리량이 저하된다.
또한, 액정 표시 장치의 표시 영역 주위의 주변 영역에 있어서의 반도체층의 결정화에 있어서는, 서로 직교하는 2개의 방향으로 스캔할 필요가 있다. 이로 인해, 반도체층이 형성된 기판을 지지하는 이동 가능한 스테이지는 회전할 필요가 있다. 종래의 스테이지는 XY 스테이지와 회전 스테이지를 포함하고, 기판은 회전 스테이지에 부착되어 있어 회전 스테이지를 90도 회전시킬 수 있고, 또한 회전시키면 서로 직교하는 2개 방향으로의 스캔을 실시할 수 있다. 그러나, 종래의 회전 스테이지는 기판의 최종적인 위치 결정에 있어서의 각도 보정을 위해서도 설치되어 있어, 수도의 회전 범위에서 0.1초 내지 O.2초의 고정밀도로 정밀한 동작을 행할 필요가 있다. 이 고정밀도화를 달성하기 위해, 종래의 회전 스테이지는 90도 회전하도록 되어 있지 않다. 그래서, 회전 스테이지가 90도 회전하도록 스테이지 전체를 다시 설계할 필요가 있다. 또한, 회전 스테이지가 90도 회전하도록 제조하는 경우에도 기판이 최종적인 위치 결정을 위해 정밀한 동작을 행하도록 설계되어야만 해, 회전 스테이지의 비용이 상승한다. 따라서, 서로 직교하는 2개의 방향으로 스캔하는 경우에는 사람의 손으로 기판을 들고 90도 회전시켜 회전 스테이지에 다시 셋트할 필요가 있어, 작업이 힘들어 처리량이 저하된다.
본 발명의 목적은 CW 레이저를 사용한 경우에도 처리량을 높게 할 수 있는 레이저 결정화 장치 및 레이저 결정화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 레이저 결정화 장치는 반도체층이 형성된 기판을 지지하는 이동 가능한 스테이지와, 레이저광을 시분할로 복수의 광로로 나누는 장치와, 각 광로를 통과하는 레이저광을 집광하여 상기 스테이지에 지지된 기판의 반도체층에 조사하는 광학 장치를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 레이저 결정화 방법은 CW 레이저광을 시분할로 적어도 2개의 광학계로 나뉘어, 상기 레이저광이 나뉘어진 광학계를 사용하여 기판에 형성된 반도체층의 제1 영역을 결정화하고, 다음에 상기 레이저광이 나뉘어진 광학계를 사용하여 기판에 형성된 반도체층의 제1 영역과는 떨어진 제2 영역을 결정화하는 것을 특징으로 한다.
상기 레이저 결정화 장치 및 레이저 결정화 방법에 있어서는, CW 레이저광을 시분할로 적어도 2개의 광학계로 나뉘고, 각각의 광학계를 사용하여 반도체층이 다른 영역을 차례로 결정화한다. 따라서, 일방향의 스캔으로 형성되는 빔 트레이스와 반대 방향의 스캔으로 형성되는 빔 트레이스는 직접적으로 오버랩되지 않게 되고, 일정한 방향의 스캔으로 형성되는 빔 트레이스만이 오버랩하도록 할 수 있다. 이로 인해, 오버랩량을 정할 때에 스테이지에 기인하는 빔 트레이스의 사행의 영향을 작게 예상할 수 있다. 따라서, CW 레이저를 사용한 경우라도 처리량을 높게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 레이저 결정화 장치는 반도체층이 형성된 기판을 지지하는 이동 가능한 스테이지와, 레이저광을 상기 스테이지에 지지된 기판의 반도체층에 조사하는 광학 장치와, 상기 스테이지와는 별도로 설치되고, 상기 기판을 회전시킬 수 있는 회전 장치와, 적어도 상기 스테이지와 상기 회전 장치 사이에서 기판을 반송할 수 있는 반송 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 구성에 따르면, XY 스테이지 상의 회전 스테이지와는 별도로 회전 장치를 설치하였으므로, 서로 직교하는 2개의 방향으로 스캔하는 경우에는, 우선 반도체층이 형성된 기판을 스테이지에 지지하여 일방향의 스캔을 행하고, 그런 다음 기판을 스테이지로부터 회전 장치로 반송하여 기판을 90도 회전하고, 그리고 기판을 회전 장치로부터 스테이지로 반송하여 기판을 스테이지에 지지하고 다른 방향의 스캔을 행한다. 이와 같이 하여, 서로 직교하는 2개의 방향으로 스캔을 연속적으로 행할 수 있다. 이로 인해, 종래적인 회전 범위는 한정되지만 고정밀도의 스테이지는 그대로 사용하고, 90도 회전하는 회전 스테이지를 새롭게 설치하는 것만으로 처리량이 저하되는 일 없이 스캔을 행할 수 있다. 이 경우, 회전 스테이지는 90도 또는 90 수도 회전할 수 있는 것이면 0.1 내지 1도 정도의 정밀도인 것이면 돼 정밀함은 요구되지 않는다(정밀도는 스테이지의 회전 스테이지가 구비되어 있음).
이하, 본 발명의 실시예에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도1은 본 발명의 실시예에 의한 액정 표시 장치를 도시하는 대략 단면도이다. 액정 표시 장치(10)는 대향하는 한 쌍의 유리 기판(12, 14) 사이에 액정(16)을 삽입하여 이루어지는 것이다. 전극 및 배향막을 유리 기판(12, 14)에 설치할 수 있다. 한 쪽 유리 기판(12)은 TFT 기판이고, 다른 쪽 유리 기판(14)은 컬러 필터 기판이다.
도2는 도1의 유리 기판(12)을 도시하는 대략 평면도이다. 유리 기판(12)은 표시 영역(18)과, 표시 영역(18) 주위의 주변 영역(20)을 갖는다. 표시 영역(18)은 다수의 화소(22)를 포함한다. 도2에서는 하나의 화소(22)가 부분적으로 확대되어 도시되어 있다. 화소(22)는 3원색의 서브 화소 영역(RGB)을 포함하고, 각 서브 화소 영역(RGB)에는 TFT(24)가 형성되어 있다. 주변 영역(20)은 TFT(도시하지 않음)를 갖고, 주변 영역(20)의 TFT는 표시 영역(18)의 TFT(24)보다도 밀하게 배치되어 있다.
도2의 유리 기판(12)은 15형 QXGA 액정 표시 장치를 구성하는 것이고, 2048 × 1536의 화소(22)를 갖는다. 3원색의 서브 화소 영역(RGB)이 나열되는 방향(수평한 방향) 상에는 2048의 화소가 나열되고, 서브 화소 영역(RGB)의 수는 2048 × 3이 된다. 3원색의 서브 화소 영역(RGB)이 나열되는 방향(수평한 방향)에 대해 수직인 방향에는 1536의 화소가 나열된다. 반도체 결정화에 있어서는, 주변 영역(20)에서는 각 변에 평행한 방향으로 레이저 스캔이 행해지고, 표시 영역(18)에서는 화살표 A 또는 B의 방향으로 레이저 스캔이 행해진다.
도3은 도2의 유리 기판(12)을 만들기 위한 머더 글라스(26)를 도시하는 대략 평면도이다. 머더 글라스(26)는 복수의 유리 기판(12)을 채취하도록 되어 있다. 도3에 나타내는 예에서는, 하나의 머더 글라스(26)로부터 4개의 유리 기판(12)을 채취하도록 되어 있지만, 하나의 머더 글라스(26)로부터 4개 이상의 유리 기판(12)을 채취할 수도 있다.
도4는 본 발명의 실시예의 레이저 결정화 장치를 도시하는 대략 평면도이다. 도5는 도4의 레이저 결정화 장치를 도시하는 사시도이다. 레이저 결정화 장치(30)는 반도체층(비정질 실리콘막)(68)이 형성된 기판(66)을 지지하는 이동 가능한 스테이지(62)(도8)와, 레이저원(32)과, 레이저원(32)으로부터 나온 레이저광을 시분할로 복수의 광로(33, 34)로 나누는 장치(36)와, 각 광로(33, 34)를 통과하는 레이저광을 집광하여 스테이지(62)에 지지된 기판의 반도체층(68)에 조사하는 광학 장치(37, 38)를 구비하고 있다. 장치(36)에 들어가는 레이저광은 레이저원(32)으로부터 직접 올 뿐만 아니라, 예를 들어 도16에 도시된 바와 같이 하프 미러에 의해 동시 분할된 서브 빔으로 할 수도 있다. 또한 반대로 장치(36)로부터의 출사광을 하프 미러로 동시 분할하여 서브 빔으로 할 수도 있다.
레이저원(32)은 CW 레이저(연속 발진 레이저) 발진기를 포함한다. 반도체층(68)은 영역 1과 영역 2을 포함한다. 영역 1과 영역 2는 특별히 구분된 것은 아니고, 여기서는 설명의 형편상 이와 같이 구분하고 있다. 나타낸 실시예에 있어서는, 장치(36)에 의해 나뉘어진 광로(33, 34)는 서로 반대 방향을 향하고 있고, 미러(39, 40)가 광로(33, 34)를 서로 평행하게 구부린다. 장치(36)의 중심과 미러(39)(40) 사이의 거리(H)는 바꿀 수 있도록 되어 있어, 미러(39)와 미러(40) 사이의 거리, 즉 광학 장치(37)와 광학 장치(38) 사이의 거리는 조절 가능하다. 미러(39)와 광학 장치(37)를 제1 지지 수단으로 일체적으로 지지하고, 미러(40)와 광학 장치(38)를 제2 지지 수단으로 일체적으로 지지하고, 제1 지지 수단과 제2 지지 수단의 상대 위치를 1축 스테이지에 의해 바꾸도록 하는 것이 바람직하다.
도6은 도4 및 도5의 광학 장치(37)의 구성을 도시하는 측면도이다. 도6은 도5의 광학 장치(37)의 구성을 나타내지만, 광학 장치(38)에 대해서도 마찬가지다. 광학 장치(37)는 레이저광의 광로를 수평으로부터 수직으로 구부리는 미러(42)와, 대략 반원통 형상의 원통형 렌즈(44)와, 원통형 렌즈(44)와 직교하도록 배치된 대략 반원통 형상의 원통형 렌즈(46)와, 볼록 렌즈(48)로 이루어진다. 미러는 전 반사 유전체 다층막으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 광학 장치(37)(38)에 의해 레이저광의 빔 스폿(BS)은 반도체층(68) 상에서 타원 형상이 된다. 또한, 오목 렌즈(50)가 미러(42)의 상류측에 배치되는 것이 바람직하다. 그러나, 광학 장치(37)(38)는 이들 모든 요소를 포함할 필요는 없다.
도7은 도4 및 도5의 레이저광을 시분할로 복수의 광로(33, 34)로 나누는 장치(36)의 일예를 나타내는 평면도이다. 장치(36)는 갤버노(galvano)(52)를 포함한다. 갤버노(52)는 모터(54)에 의해 구동되는 미러이고, 모터(54)는 구동 수단(구동 회로)(56)을 거쳐서 제어 장치(58)에 접속된다. 스테이지 구동 수단(구동 회로)(6)도 제어 장치(58)에 접속된다. 제어 장치(58)는 갤버노(50)와 스테이지(62)를 동기하여 동작하도록 제어한다. 갤버노(52) 대신에 폴리곤 미러로 할 수도 있다.
갤버노(52)에서 반사된 레이저광은 갤버노(52)의 위치에 따라서 미러(39, 40)로 향한다. 갤버노(52)는 레이저광을 교대로 광로(33, 34)를 향하게 하도록 구동된다. 도7에 있어서는, 갤버노(52)는 레이저광을 미러(40)에 반사시키는 위치에 있고, 레이저원(32)으로부터 나온 빛은 갤버노(52)에서 반사되어 광로(34)에 들어가고, 미러(40)에서 반사되어 도6의 광학 장치(37)의 미러(42)로 향하게 된다. 다음 시점에서는, 갤버노(52)는 레이저광이 미러(39)를 향하는 위치로 변위하게 되어, 레이저원(32)으로부터 나온 빛은 갤버노(52)에서 반사되어 광로(33)로 들어가고, 미러(39)에서 반사되어 광학 장치(38)의 미러(42)를 향하게 된다. 또. 도4 및 도5에 있어서는, 광로(33, 34)는 일직선 상에서 반대 방향을 향하도록 도시되어 있지만, 도7에 있어서는 광로(33, 34)는 서로 각도를 이루어 반대 방향을 향하도록 도시되어 있다. 중요한 것은, 미러(39, 40)에서 반사된 레이저광이 서로 평행해지도록 하는 것이다.
도8은 스테이지(62)에 지지된 기판(66)을 도시하는 사시도이다. 스테이지(62)는 X 스테이지(62X)와, Y 스테이지(62Y)와, 회전 스테이지(도8에는 도시하지 않음)를 포함한다. X 스테이지(62X)는 X 방향으로 이동 가능하게 도시하지 않은 가이드에 배치되고, 도시하지 않은 이송 나사 등의 구동 수단에 의해 X 방향으로 구동된다. Y 스테이지(62Y)는 X 스테이지(62X)에 설치한 도시하지 않은 가이드에 배치되고, 도시하지 않은 이송 나사 등의 구동 수단에 의해 Y 방향으로 구동된다. 회전 스테이지는 Y 스테이지(62Y)에 회전 가능하게 설치되고, 도시하지 않은 구동 수단에 의해 회전 구동된다.
흡착 테이블(64)이 Y 스테이지(62Y) 상의 회전 스테이지에 장착되어 있다. 흡착 테이블(64)은 다수의 진공 흡착 구멍 및 진공 통로를 갖는 진공 흡착 척을 형성하고 있다. 기판(66)은 예를 들어 도3에 도시한 머더 글라스(26)이고, 비정질 실리콘으로 이루어지는 반도체층(68)이 박막 제조 프로세스에 의해 기판(66)에 형성되어 있다. 레이저광(LB)은 도6에 도시한 광학 장치(37)(38)에 의해 집광되어 반도체층(68)에 조사된다.
레이저광(LB)이 일정한 위치를 조사하는 상태에서 스테이지(62)를 이동시키면서 스캔을 하면, 반도체층(68)의 띠형 부분이 레이저광(LB)에 의해 조사된다. 비정질 실리콘으로 이루어지는 반도체층(68)의 레이저광이 조사된 부분은 용융 및 고화되고, 결정화되어 폴리실리콘이 된다. 반도체층(68)의 레이저광이 조사된 띠형의 부분에서도 반도체층(68)이 충분히 용융되는 유효 멜트 폭이 있어, 그 양측 테두리부는 충분히 용융되지 않는다. 여기서는, 유효 멜트 폭에 포함되는 반도체층(68)의 부분을 빔 트레이스라 부른다.
도9는 오버랩한 빔 트레이스의 예를 나타내는 도면이다. 2개의 빔 트레이스(70)가 오버랩량(I)으로 오버랩하고 있다. J는 유효 멜트 폭이다. CW 레이저에서는 빔 스폿이 작기 때문에, 1회의 스캔에서는 결정화되는 반도체층(68)의 면적이 작기 때문에 빔 트레이스를 오버랩시키면서 연속적으로 다수회의 스캔을 행하여 반도체층(68)의 필요한 면적을 결정화한다.
이 경우, 도4에 도시된 바와 같이 래스터 스캔을 행한다. 래스터 스캔에 있어서는, Y 스테이지(62Y)를 Y축에 따른 일방향(왕로 방향)으로 움직이게 하고, 다음에 X 스테이지(62X)를 X축에 따른 방향으로 움직이게 하고, 다음에 Y 스테이지(62Y)를 Y축에 따른 반대 방향(복로 방향)으로 움직이게 한다. 일방향(왕로 방향)의 스캔에 있어서는 반도체층(68)의 영역 1을 결정화하고, 반대 방향(복로 방향)의 스캔에 있어서는 반도체층(68)의 영역 2를 결정화한다.
도4에 있어서, 1회째의 스캔은 반도체층(68)의 영역 1을 화살표 a1로 나타낸 바와 같이 행한다. 2회째의 스캔은 반도체층(68)의 영역 2를 화살표 b1로 나타낸 바와 같이 행한다. 3회째의 스캔은 반도체층(68)의 영역 1을 화살표 a2로 나타낸 바와 같이 행한다. 4회째의 스캔은 반도체층(68)의 영역 2를 화살표 b2로 나타낸 바와 같이 행한다. 이와 같이 왕복 스캔을 반복하면서 반도체층(68)의 결정화가 필요한 부분을 결정화한다.
제어 장치(58)는 갤버노(52)와 스테이지(62)를 동기하여 동작하도록 제어한다. 왕로 방향의 스캔(al, a2, a3)인 경우에는, 장치(36)는 레이저광이 광로(33)를 통과하도록 하고, 복로 방향의 스캔(bl, b2)의 경우에는 장치(36)는 레이저광이 광로(34)를 통과하도록 한다.
왕로 방향에 있어서의 스캔에 대해서는 스테이지(62)(62Y)가 한 쪽 방향(a1)으로 움직일 때에 반도체층(68)에 형성되는 빔 트레이스와 스테이지(62)(62Y)가 다음에 동일한 방향(a2)으로 움직일 때에 반도체층(68)에 형성되는 빔 트레이스가 서로 오버랩되도록 되어 있다. 복로 방향에 있어서의 스캔에 대해서는 스테이지(62)(62Y)가 한 쪽의 방향(b1)으로 움직일 때에 반도체층(68)에 형성되는 빔 트레이스와 스테이지(62)(62Y)가 다음에 동일한 방향(b2)으로 움직일 때에 반도체층(68)에 형성되는 빔 트레이스가 서로 오버랩되도록 되어 있다. 즉, 도9의 2개의 빔 트레이스(70)는 영역 1(또는 영역 2)에 있어서의 빔 트레이스를 도시한 것이다.
이와 같이, 본 발명은 왕로와 복로에 동기하여 교대로 레이저광을 다른 광학계로 절환하는 기구를 구비하고, 이들 광학계는 각각 다른 영역을 조사하는 집광계를 구비하여 집광된 빔 트레이스를 오버랩 상태에서 스캔하는 기능을 구비하고 있다.
한편, 연속되는 왕복 방향의 스캔에 대해서는 스테이지(62)(62Y)가 한 쪽 방향(a1)으로 움직일 때에 반도체층(68)에 형성되는 빔 트레이스와 스테이지(62)(62Y)가 다음의 상기 한 쪽 방향(a1)과는 반대 방향(b1)으로 움직일 때에 반도체층(68)에 형성되는 빔 트레이스와는 서로 떨어져 있다.
도10은 사행이 있는 빔 트레이스의 예를 나타내는 도면이다. 사행량이 K이다. 최근의 연구에서는 빔 트레이스(70)가 미소하게 사행되는 것을 알 수 있었다. 일반적으로 스테이지(62)(62Y)의 운동은 직선 운동이지만, 실제로는 직선 운동을 시키고자 해도 사행을 수반하므로, 1회의 스캔으로 결정화된 빔 트레이스(70)는 도10에 도시한 바와 같이 사행되어 있다.
도11은 본 발명의 스캔을 행한 경우의 오버랩된 빔 트레이스의 예를 나타내는 도면이다. 예를 들어, 도4에 있어서 스테이지(62)(62Y)가 한 쪽 방향(a1)으로 움직일 때의 빔 트레이스(70)와 스테이지(62)(62Y)가 다음에 동일한 방향(a2)으로 움직일 때의 빔 트레이스(70)를 도시하고, 2개의 빔 트레이스(70)는 오버랩량(I)으로 서로 오버랩되어 있다. 동일 방향의 스캔의 경우에는 사행의 위상이 일치하므로, 오버랩량을 작게 할 수 있다.
도12는 왕복 스캔으로 오버랩한 빔 트레이스의 예를 나타내는 도면이다. 예를 들어, 도4에 있어서 스테이지(62)(62Y)가 한 쪽 방향(a1)으로 움직일 때의 빔 트레이스(70)와 스테이지(62)(62Y)가 반대 방향(b1)으로 움직일 때의 빔 트레이스(70)를 서로 근접하여 오버랩시키도록 한 예이다. 이 경우, 사행이 관계없이 발생하므로, 오버랩량(I)이 작으면 2개의 빔 트레이스(70) 사이에 결정화되지 않는 영역(70X)이 생길 가능성이 있다. 이 경우, 사행이 있으면, 2개의 빔 트레이스(70) 사이의 오버랩량을 증가시킬 필요가 있어, 그로 인해 처리량이 저하된다.
실시예에서는, 비정질 실리콘을 CW 레이저 조사로 결정화하였다. 레이저는 Nd : YVO4의 DPSS 레이저와 그 고조파(배파)를 이용하여 파장 532 ㎚의 CW 레이저를 얻었다. 예를 들어, 타원 형상의 빔 스폿을 이용하여 레이저 파워 2.5 W, 레이저 스캔 속도 2 m/s로 막 두께가 100 ㎚ 정도인 비정질 실리콘을 스캔하였다. 도10에 도시한 바와 같이 레이저 트레이스(70)에서는 유효 멜트 폭(J)은 20 ㎛이고, 사행량(K)은 5 ㎛였다.
도12에 도시하는 왕복 스캔에서는 사행량(K) 플러스 위치 맞춤 여유량을 5 ㎛ 정도 갖게 하여 1O ㎛ 정도의 오버랩량(I)이 필요해진다. 사행이 없고 또한 위치 맞춤 여유량도 없는 이상적인 조건으로 오버랩량(I)을 0으로 할 수 있는 케이스를 가정하여 이와 비교하면, 도12에 나타내는 왕복 스캔의 경우의 처리량은 (20 － 10)/20 ＝ 0.50으로 저하된다.
이에 대해, 본 발명을 적용한 도11에 나타내는 스캔에서는 왕로도 복로도 결정화에 유효하게 이용할 수 있고, 또한 오버랩량(I)에는 사행량(K)을 예상하지 못한 한 쪽 스캔을 적용할 수 있으므로, 이상적인 조건으로 오버랩량(1)을 0으로 할 수 있는 케이스에 비교하면, 도11에 나타내는 스캔의 경우의 처리량은 (20 － 5)/20 ＝ 3/4 ＝ 0.75로 개선되었다.
레이저 파워의 제한이나 결정질 실리콘의 막 두께가 두꺼우면 멜트 폭은 좁아진다. 멜트 폭이 15 ㎛인 경우에는, 왕복 스캔에서는 이상적인 케이스에 비교하면 처리량은 (15 － 10)/15 ＝ 1/3 ＝ 0.33이지만, 본 발명의 경우에는 처리량은 (15 － 5)/15 ＝ 2/3 ＝ 0.66이다.
래스터 스캔이 아닌, 왕로뿐인 한 쪽 스캔 또는 복로뿐인 한 쪽 스캔을 행하면, 사행의 위상은 도11에 도시한 바와 같이 복수의 스캔의 빔 트레이스끼리가 일치하고 있으므로, 사행 폭은 5 ㎛라도 오버랩량은 상기한 위치 정렬 여유량분만을 예상하여 5 ㎛에서 끝난다. 따라서, 도11과 같이 오버랩량을 줄일 수 있다. 그러나, 왕로뿐인 한 쪽 스캔(또는 복로뿐인 한 쪽 스캔)에서는 왕로는 결정화에 사용할 수 있지만, 복로는 빔을 셔터로 멈춰 둘 필요가 있어 스캔의 절반의 시간은 낭비하게 되므로, 처리량을 저하시킨다.
도13은 본 발명의 다른 실시예의 레이저 결정화 장치를 도시하는 측면도이다. 본 실시예의 레이저 결정화 장치(72)는 반도체층(68)이 형성된 기판(66)(도8 참조)을 지지하는 이동 가능한 스테이지(62)와, 레이저원(32)과, 레이저원(32)으로부터 나온 레이저광을 스테이지(62)에 지지된 기판(66)의 반도체층(68)에 조사하는 광학 장치(37)와, 스테이지(62)와는 별도로 설치되고, 기판(66)을 회전시킬 수 있는 회전 장치(74)와, 적어도 스테이지(62)와 회전 장치(74) 사이에서 기판(66)을 반송할 수 있는 반송 장치(76)를 구비하고 있다. 또한, 반송차로서 형성된 기판 스태커(홀더)(78)가 있어, 반송 장치(76)는 스테이지(62)와 기판 스태커(홀더)(78) 사이에서 기판(66)을 반송할 수 있다.
스테이지(62)는 X 스테이지(62X)와, Y 스테이지(62Y)와, 회전 스테이지(62R)를 포함한다. X 스테이지(62X)는 X 방향으로 이동 가능하게 도시하지 않은 가이드에 배치되고, 도시하지 않는 이송 나사 등의 구동 수단에 의해 X 방향으로 구동된다. Y 스테이지(62Y)는 X 스테이지(62X)에 설치한 도시하지 않은 가이드에 배치되고, 도시하지 않은 이송 나사 등의 구동 수단에 의해 Y 방향으로 구동된다. 회전 스테이지(62R)는 Y 스테이지(62Y)에 회전 가능하게 설치되고, 도시하지 않은 구동 수단에 의해 회전 구동된다. 흡착 테이블(64)(도8 참조)이 회전 스테이지(62R)에 설치되어 있다.
도14는 스테이지(62)의 일예를 나타내는 사시도이다. X 스테이지(62X)는 분할된 복수의 플레이트로 이루어지고, 저속으로 작동하여 고정밀도의 위치 분해 능력을 갖는다. Y 스테이지(62Y)는 긴 하나의 플레이트로 이루어지고, 고속으로 작동하여 비교적 낮은 위치 분해 능력을 갖는다.
회전 스테이지(62R)는 수도의 회전 범위에서 정밀한 동작을 행하도록 만들어져 있다. 즉, 반송 장치(76)는 기판 스태커(78)로부터 소정의 자세로 기판(66)을 취출하여 스테이지(62) 상에 소정의 자세로 설치하기 때문에, 이 동작 범위에서는 특별히 스테이지(62) 상에서 기판(66)을 회전시킬 필요는 없다. 회전 스테이지(62R)는 기판(66)의 위치를 미세 조정하기 위해 설치된다.
한편, 도2에 도시된 바와 같이 액정 표시 장치의 표시 영역(18) 주위의 주변 영역(20)에 있어서 반도체층(68)의 결정화를 행할 때에는 서로 직교하는 2개의 방향(C 방향, D 방향)으로 스캔할 필요가 있다. 이를 위해, 기판(66)을 90도 회전시킬 필요가 있다. 이 경우, 회전 장치(74)가 없으면 사람의 손으로 기판(66)을 회전하여 회전 스테이지(62R) 상에 둘 필요가 있다. 그렇지 않으면, 회전 스테이지(62R)를 90도 또는 그 이상 회전할 수 있도록 설계할 필요가 있지만, 높은 위치 분해 능력을 가지면서 또한 90도 또는 그 이상 회전할 수 있도록 회전 스테이지(62R)를 만드는 것은 제조 비용이 매우 상승하게 된다.
회전 장치(74)는 고정대(74A) 상에 회전 스테이지(74R)를 회전 가능하게 탑재한 것으로, 회전 스테이지(74R)를 회전시키기 위한 구동 수단을 포함한다. 진공 흡착 척이 회전 스테이지(74R)에 설치된다. 회전 스테이지(74R)는 90도 또는 그 이상 회전할 수 있다. 단, 회전 스테이지(74R)는 고정밀도로 위치 결정을 행할 수 있는 것일 필요는 없다.
도15는 도13의 반송 장치(76)의 예를 나타내는 사시도이다. 반송 장치(76)는 로봇으로 구성되고, 베이스(80)와, 화살표 E로 나타내는 수직 방향으로 이동 가능하면서, 또한 화살표 F로 나타낸 바와 같이 회전 가능한 본체(82)와, 본체(82)에 부착된 평행 사변형 링크(84)와, 포크형의 아암(86)으로 이루어진다. 평행 사변형 링크(84)는 화살표 G로 나타낸 바와 같이 신축 가능하다. 기판(66)은 아암(86)에 적재되어 반송된다. 스테이지(62)의 회전 스테이지(62R) 및 회전 장치(74)의 회전 스테이지(74R)는 각각 밀어 올림핀(도시하지 않음)을 갖고, 아암(86)을 회전 스테이지(62R) 또는 회전 스테이지(74R)와 기판(66) 사이에 삽입할 수 있게 되어 있다.
도13에 있어서, 반송 장치(76)는 기판 스태커(78)로부터 소정의 자세로 기판(66)을 취출하여 스테이지(62) 상에 소정의 자세로 둔다. 스테이지(62)의 회전 스테이지(62R)는 기판(66)의 자세를 미세 조정하고, 그런 다음 예를 들어 주변 영역(20)의 일변에 따라서 화살표 C 방향으로 반도체층(68)의 결정화를 행한다. 그런 다음, 반송 장치(76)는 기판(56)을 스테이지(62)의 회전 스테이지(62R)로부터 회전 장치(74)의 회전 스테이지(74R)로 반송한다. 회전 스테이지(74R)는 기판(66)과 함께 90도 회전하고, 그런 다음 반송 장치(76)는 90도 회전된 기판(66)을 회전 장치(74)의 회전 스테이지(74R)로부터 스테이지(62)의 회전 스테이지(62R)로 반송한다. 스테이지(62)의 회전 스테이지(62R)는 기판(66)의 자세를 미세 조정하고, 그런 다음 예를 들어 주변 영역(20)의 일변에 따라서 화살표 D 방향으로 반도체층(68)의 결정화를 행한다. 이와 같이 하여, 간단한 구조의 회전 장치(74)를 설치함으로써 처리량 좋게 반도체층의 결정화를 행할 수 있다.
도16은 레이저 결정화 장치의 변형예를 나타내는 대략 평면도이다. 레이저 결정화 장치(90)는 레이저원(32)을 나온 레이저광을 2개의 서브 빔으로 분할하는 하프 미러 등의 광분할 수단(92)을 갖는다. 레이저 결정화 장치(90)는 광분할 수단(92)에 의해 분할된 서브 빔의 각각에 대해 도4 및 도5에 도시된 레이저광을 시분할로 복수의 광로(33, 34)로 나누는 장치(36)와, 각 광로(33, 34)를 통과하는 레이저광을 집광하여 스테이지(62)에 지지된 기판의 반도체층(68)에 조사하는 광학 장치(37, 38)를 구비하고 있다. 이와 같이 하여, 동시에 결정화되는 반도체층(68)의 부분을 증가시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 왕로의 스캔이든 복로의 스캔이든 결정화에 이용할 수 있고, 또한 사행이 있어도 결정화 영역마다 왕로 혹은 복로의 스캔에만 의한 결정화가 달성되어 스캔 피치를 크게 취할 수 있으므로, 처리량을 대폭으로 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 CW 레이저에 의한 결정화에 의해 저온 폴리실리콘-TFT의 처리량을 개선하여 저온 폴리실리콘 기술이 갖는 고성능 TFT를 포함하는 시트 컴퓨터나, 지능 FPD, 저렴한 CMOS 등의 개발에 공헌한다.
도1은 본 발명에 의해 제조되는 액정 표시 장치를 도시하는 대략 단면도.
도2는 도1의 TFT 기판을 도시하는 대략 평면도.
도3은 도2의 TFT 기판을 만들기 위한 머더 글라스를 도시하는 대략 평면도.
도4는 본 발명의 실시예의 레이저 결정화 장치를 도시하는 대략 평면도.
도5는 도4의 레이저 결정화 장치를 도시하는 사시도.
도6은 도4 및 도5의 광학 장치의 구성을 도시하는 측면도.
도7은 도4 및 도5의 레이저광을 시분할로 복수의 광학로로 나누는 장치의 일예를 나타내는 평면도.
도8은 스테이지에 지지된 기판을 도시하는 사시도.
도9는 오버랩한 빔 트레이스의 예를 나타내는 도면.
도10은 사행이 있는 빔 트레이스의 예를 나타내는 도면.
도11은 본 발명의 스캔을 행한 경우의 오버랩한 빔 트레이스의 예를 나타내는 도면.
도12는 왕복 스캔으로 오버랩한 빔 트레이스의 예를 나타내는 도면.
도13은 본 발명의 다른 실시예의 레이저 결정화 장치를 도시하는 측면도.
도14는 스테이지의 일예를 나타내는 사시도.
도15는 도13의 반송 장치의 예를 나타내는 사시도.
도16은 레이저 결정화 장치의 변형예를 나타내는 대략 평면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
30 : 레이저 결정화 장치
32 : 레이저원
33, 34 : 광로
36 : 레이저광을 나누는 장치
37, 38 : 광학 장치
52 : 갤버노
58 : 제어 수단
62 : 스테이지
62X : X 스테이지
62Y : Y 스테이지
62R : 회전 스테이지
64 : 흡착 플레이트
66 : 기판
68 : 반도체층
70 : 빔 트레이스
74 : 회전 장치

Claims (5)

  1. 반도체층이 형성된 기판을 지지하는 이동 가능한 스테이지와, 레이저광을 시분할로 복수의 광로로 나누는 장치와, 각 광로를 통과하는 레이저광을 집광하여 상기 스테이지에 지지된 기판의 반도체층에 조사하는 광학 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저광을 시분할로 복수의 광로로 나누는 장치와 기판을 부착한 스테이지의 왕복 운동을 동기하여 제어하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 스테이지가 한 쪽 방향으로 움직일 때에 반도체층에 형성되는 빔 트레이스와 상기 스테이지가 다음에 상기 한 쪽 방향으로 움직일 때에 반도체층에 형성되는 빔 트레이스가 서로 오버랩하도록 상기 레이저광을 시분할로 복수의 광로로 나누는 장치와 상기 스테이지를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
  4. CW 레이저광을 시분할로 적어도 2개의 광학계로 나누고, 상기 레이저광이 나뉘어진 광학계를 사용하여 기판에 형성된 반도체층의 제1 영역을 결정화하고, 다음에 레이저광이 나뉘어진 광학계를 사용하여 기판에 형성된 반도체층의 제1 영역과는 떨어진 제2 영역을 결정화하는 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 방법.
  5. 반도체층이 형성된 기판을 지지하는 이동 가능한 스테이지와, 레이저광을 상기 스테이지에 지지된 기판의 반도체층에 조사하는 광학 장치와, 상기 스테이지와는 별도로 설치되고, 상기 기판을 회전시킬 수 있는 회전 장치와, 적어도 상기 스테이지와 상기 회전 장치 사이에서 기판을 반송할 수 있는 반송 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 결정화 장치.
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