KR20050078187A - 레이저 어닐링 방법 및 레이저 어닐링 장치 - Google Patents

레이저 어닐링 방법 및 레이저 어닐링 장치 Download PDF

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Abstract

변조기에 의해 시간 변조되고, 빔 정형기에 의해 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 빔 정형기와 기판 사이에 삽입된 이미지 회전자의 광축 중심에서 회전시킴으로써 기판 상에서 가늘고 긴 형상의 레이저광의 긴 방향을 광축의 주위로 회전시키도록 하고, 기판 상의 복수의 방향으로 어닐링하는 경우에는 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 기판 상에서 회전시켜 기판을 적재한 스테이지는 XY2 방향으로만 이동시킨다.
이와 같이 함으로써, 시간 변조되어 가늘고 긴 형상으로 정형된 연속 발진 레이저광을 기판을 회전시키지 않고 고속으로 주사하여 반도체막의 어닐링을 행할 수 있게 된다.

Description

레이저 어닐링 방법 및 레이저 어닐링 장치{LASER ANNEALING APPARATUS AND ANNEALING METHOD OF SEMICONDUCTOR THIN FILM USING THE SAME}
본 발명은 절연 기판 상에 형성된 비정질 또는 다결정 반도체막에 레이저광을 조사하여 막 질의 개선 혹은 결정 입자의 확대 혹은 단일 결정화를 행하는 데 적합한 레이저 어닐링 방법 및 레이저 어닐링 장치에 관한 것이다.
현재, 액정 패널이나 유기 EL 패널 등의 표시 패널을 이용한 플랫 패널형 표시 장치가 개발되어 실용에 이바지되거나, 혹은 실용화 단계에 있다. 이러한 종류의 표시 장치에 있어서의 표시 패널은 유리나 용융 석영 등의 기판 상에 성막한 비정질 실리콘막 또는 다결정 실리콘막으로 형성된 박막 트랜지스터(TFT)로 이루어지는 이차원 배열(매트릭스 배열)된 다수의 화소를 표시 영역에 갖고, 상기 화소의 상기 박막 트랜지스터의 스위칭에 의한 온 오프로 화상을 형성하고 있다. 화소의 박막 트랜지스터는 표시 영역의 외측에 설치한 드라이버 회로에서 상기 스위칭 구동이 이루어진다.
이 표시 패널의 기판 상에 화소의 박막 트랜지스터를 구동하는 드라이버 회로를 동시에 형성하는 것이 가능해지면, 비약적인 제조 비용 저감 및 신뢰성의 향상을 기대할 수 있다. 그러나, 박막 트랜지스터의 능동층을 형성하는 실리콘막은 결정성이 나쁘기 때문에 이동도에 대표되는 박막 트랜지스터의 성능이 낮고, 상기 드라이버 회로와 같은 고속 및 고기능이 요구되는 회로의 제작은 곤란하다.
이들 고속 및 고기능의 회로를 제작하기 위해서는 고이동도 박막 트랜지스터를 필요로 하고, 이를 실현하기 위해 실리콘 박막의 결정성을 개선할 필요가 있다. 이 결정성 개선의 방법으로서, 종래부터 엑시머 레이저 어닐링이 주목을 받고 있다. 이 방법은 유리 등의 절연 기판 상에 형성된 비정질 실리콘막에 엑시머 레이저를 조사하여, 비정질 실리콘막을 다결정 실리콘막으로 변화시킴으로써 이동도를 개선하는 것이다. 그러나, 엑시머 레이저의 조사에 의해 얻게 된 다결정막은 결정 입경이 수십 ㎚ 내지 수백 ㎚ 정도로, 액정 패널을 구동하는 드라이버 회로 등에 적용하기에는 성능이 부족하다.
이 문제를 해결하는 방법으로서, 특허 문헌 1에는 시간 변조된 연속 발진 레이저광을 선형으로 집광하여 고속으로 주사하면서 조사함으로써, 주사 방향으로 결정을 횡방향 성장시켜 결정 입경을 증대하는 방법이 개시되어 있다. 이는 기판 전체면을 엑시머 레이저 어닐링에 의해 다결정화시킨 후, 구동 회로가 형성되는 영역에만 형성하는 트랜지스터의 전류 경로(드레인-소스 방향 : 채널이라고도 함)와 일치한 방향으로 레이저광을 주사하여 결정 입자를 성장시키고, 결과적으로 전류 경로를 가로지르는 결정 입계가 존재하지 않도록 함으로써 이동도를 대폭으로 개선하는 것이다.
또한, 특허 문헌 2에는 레이저광 빔 스폿의 긴 방향과 조사해야 할 영역의 긴 방향을 평행하게 하여 레이저광의 조사 효율을 높인 레이저 어닐링 기술이 개시되어 있다.
[특허 문헌 1]
일본 특허 공개 제2003-124136호 공보
[특허 문헌 2]
일본 특허 공개 평10-209069호 공보
[특허 문헌 3]
일본 특허 공개 평11-352419호 공보
상기 종래 기술에서는 기판 내에서 복수의 방향으로 레이저광을 주사하는 점에 대해서는 구체적인 고려가 이루어져 있지 않았다. 즉, 통상의 박막 트랜지스터 패널(TFT 패널)에 있어서는, 드라이버 회로로서 드레인(신호선) 구동 회로부와 게이트(주사선) 구동 회로부가 필요하다. 그로 인해, 기판에 성막된 실리콘막에 대해 상기한 양 구동 회로부를 레이저 어닐링할 필요가 있다. 드레인 구동 회로부와 게이트 구동 회로부를 기판의 인접하는 2변에 설치하는 경우, 혹은 어느 한 쪽의 구동 회로부만을 어닐링한다고 해도 상기 패널의 방향을 90도 회전시켜 레이저를 조사할 필요가 있다.
어닐링 장치로서는, 적어도 XY2 방향으로 어닐링할 수 있는 기능이 필요하다. 이에 대해, 특허 문헌 2에는 기판을 적재하는 스테이지로서, 직동 기구 상에 회전 기구를 포갬으로써 기판을 회전시켜 다른 방향으로 레이저광을 주사할 수 있는 방법이 개시되어 있다.
그러나, 기판의 대형화에 수반하여 1 m 사각형 이상의 기판을 채용하고자 하고 있다. 이로 인해, 기판의 회전 스테이지도 크기 및 중량이 증가하여 XY의 각 방향으로의 레이저광 주사시에 큰 부담이 된다. 특히, 고속으로 주사하는 경우 혹은 고정밀도로 주사하는 경우, 대중량의 회전 스테이지를 함께 이동하게 되어 XY 스테이지의 대형화, 고강성화, 또한 장치 전체의 진동 대책이 필요해질 뿐만 아니라, 부하가 크기 때문에 XY 스테이지의 수명을 짧게 하여 결과적으로 장치 제조 비용 및 운전 비용을 증대시키는 문제가 있었다.
또한, 특허 문헌 3에는 빔 회전 광학 소자와 호모지나이저(빔 정형기)를 동시에 광축 주위로 회전시킴으로써 직사각형으로 호모지나이즈된 빔을 회전시키는 방법이 개시되어 있다. 여기서, 호모지나이저는 복수의 원통형 렌즈 어레이로 구성된 복잡한 광학계로, 원하는 에너지 분포를 달성하기 위해서는 미묘한 조정이 필요하다. 이들 조정이 종료된 원통형 렌즈 어레이는 가령 회전이라고는 해도 움직이는 것은 바람직하지 않다. 복잡한 광학계인 원통형 렌즈 어레이로 구성된 호모지나이저를 회전시키는 일 없이 정형된 빔을 회전시킬 필요가 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하여 스테이지의 소형화 및 경량화를 실현하고, 스테이지의 장기 수명화, 또는 장치 비용의 저감을 도모하여 표시 패널의 제조에 적합한 레이저 어닐링 방법과 그 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 레이저 어닐링 방법 및 레이저 어닐링 장치는 기판을 적재하여 고속 주사하는 스테이지는 XY2 방향으로만 구동하고, 회전 스테이지를 설치하는 일 없이 시간 변조하고, 또한 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 기판 상에서 광축의 주위로 회전시키는 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로는, 원통형 렌즈 어레이로 구성된 호모지나이저를 회전시키는 일 없이 호모지나이저를 통과한 빔을 이미지 회전자로 원하는 각도만큼 회전시킴으로써 달성할 수 있다. 또는, 구성이 단순한 호모지나이저에 대해서는 이미지 회전자를 이용하는 일 없이 호모지나이저 단일 부재를 회전시킴으로써, 기판 상에 조사되는 빔을 원하는 각도만큼 회전시킴으로써 달성할 수 있다. 본 발명의 대표적인 구성을 하기에 열거한다.
우선, 본 발명의 레이저 어닐링 장치는,
(1) 기판을 적재하여 직교하는 2 방향으로 이동하기 위한 스테이지와, 레이저광을 발진하는 레이저 발진기와, 상기 레이저광을 가늘고 긴 형상으로 정형하는 빔 정형기와, 상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 상기 스테이지 상에 적재한 상기 기판 상에 투영하는 위치 관계에 배치된 결상 렌즈로 구성되고, 상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 상기 레이저광을 상기 레이저광의 광축 주위로 회전하는 수단을 구비하였다.
(2) 기판을 적재하여 직교하는 2 방향으로 이동하기 위한 스테이지와, 레이저광을 발진하는 레이저 발진기와, 상기 레이저광을 가늘고 긴 형상으로 정형하는 빔 정형기와, 상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 평행광으로 변환하기 위한 릴레이 렌즈와, 상기 평행광으로 변환된 레이저광을 상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 상태에서 상기 스테이지 상에 적재한 상기 기판 상에 투영하는 위치 관계에 배치된 결상 렌즈로 구성되고, 상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 상기 레이저광을 상기 레이저광의 광축 주위로 회전하는 수단을 구비하였다.
(3) 상기 (1), (2)에 있어서,
상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 상기 레이저광을 상기 레이저광의 광축 주위로 회전하는 수단으로서, 상기 레이저광을 선형 또는 직사각형으로 정형하는 빔 정형기 이후에 또한 상기 결상 렌즈 이전에 삽입된 이미지 회전자를 이용하였다.
(4) 상기 (3)에 있어서,
상기 레이저광을 선형 또는 직사각 형상으로 정형하는 빔 정형기로서 파웰 렌즈와 원통형 렌즈의 조합, 혹은 칼라이드 스코프, 혹은 회절 광학 소자, 혹은 멀티 렌즈 어레이와 원통형 렌즈의 조합 중 어느 하나를 이용하였다.
(5) 상기 (1), (2)에 있어서,
상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 광축 주위로 회전하는 수단에, 적어도 레이저광을 가늘고 긴 형상으로 정형하는 상기 빔 정형기를 상기 레이저광의 광축 주위로 회전 가능하게 구성한 기구를 이용하였다.
(6) 상기 (5)에 있어서,
상기 레이저광을 가늘고 긴 형상으로 정형하는 상기 빔 정형기로서 파웰 렌즈와 원통형 렌즈의 조합, 혹은 칼라이드 스코프, 혹은 회절 광학 소자 중 어느 하나인 것을 이용하였다.
(7) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 있어서,
상기 레이저 발진기가 연속 발진 레이저광을 발생하는 발진기이고, 상기 레이저광을 가늘고 긴 형상으로 정형하는 상기 빔 정형기보다 전방에 시간 변조기가 설치되고, 상기 시간 변조기에 의해 시간 변조된 연속 발진 레이저광을 가늘고 긴 형상으로 정형한다.
그리고, 본 발명의 레이저 어닐링 방법은,
(8) 1주면에 비정질 실리콘막 혹은 다결정 실리콘막이 형성된 기판을 스테이지 상에 적재하고, 상기 기판 상의 비정질 실리콘막 혹은 다결정 실리콘막의 원하는 영역에 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 조사하면서 주사하는 방법이며,
상기 기판 상의 복수 방향으로 상기 레이저광을 주사할 때에 상기 기판을 회전시키는 일 없이 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 광축 주위로 회전시키고, 상기 기판을 적재한 상기 스테이지는 직행하는 2방향으로만 이동함으로써 원하는 위치, 원하는 방향으로 상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 조사한다.
(9) 상기 (8)에 있어서,
1주면에 비정질 실리콘막 혹은 다결정 실리콘막이 형성된 상기 기판에 조사되는 레이저광이 시간 변조된 연속 발진 레이저광이고, 또한 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광이다.
(10) 상기 (8)에 있어서,
1주면에 비정질 실리콘막 혹은 다결정 실리콘막이 형성된 상기 기판에 조사되는 레이저광이 펄스 발진된 레이저광이고, 또한 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광이다.
또, 본 발명은 상기한 구성 및 후술하는 실시 형태에 기재된 구성에 한정되는 것은 아니며, 발명의 기술 사상을 일탈하지 않는 다양한 변경이 가능한 것은 물론이다.
상기한 바와 같이 본 발명의 레이저 어닐링 장치 및 레이저 어닐링 방법에 따르면, 기판 상에서 직교하는 2 방향으로 레이저광을 주사하여 어닐링을 행하는 경우, 기판을 회전시키는 일 없이 기판의 이동 방향을 바꾸는 것만으로 행할 수 있다. 즉, 기판을 적재하여 고속으로 주사하는 스테이지로서, 혹은 고정밀도로 주사하는 스테이지로서 XY2 방향만의 구동이라도 좋고, 회전 스테이지를 XY 스테이지 상에 설치할 필요가 없으므로 XY 스테이지에 대한 부담이 적어 스테이지의 장기 수명화, 또는 장치 비용의 저감을 도모할 수 있다. 또한, 기판을 회전시키는 경우에는 다시 얼라인먼트를 행할 필요가 있어 처리량을 저하시키게 되지만, 광축을 회전시키는 경우에는 다시 얼라인먼트를 행할 필요가 없어 처리량 향상의 관점으로부터도 유효하다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시 형태에 대해 실시예의 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
[제1 실시예]
이하, 본 발명을 실시예의 도면에 따라서 상세하게 설명한다. 도1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 레이저 어닐링 장치의 광학계 구성을 도시하는 도면이다. 도1에 있어서, 이 레이저 어닐링 장치는 여기용 LD(레이저 다이오드)(1)와 파이버(2)로 결합되어 연속 발진 레이저광(3)을 발생하는 레이저 발진기(4), 레이저광(3)의 온(ON)/오프(OFF)를 행하는 셔터(5), 레이저광(3)의 에너지를 조정하기 위한 투과율 연속 가변 ND 필터(6), 레이저 발진기(4)로부터 출력된 레이저광(3)의 펄스화 및 에너지의 시간적인 변조를 실현하기 위한 전기 광학 모듈레이터(이후, EO 모듈레이터라 함)(7), 편광 빔 스플리터(8), 레이저광(3)의 빔계를 조정하기 위한 빔 확장기(빔 리듀서)(9), 레이저광(3)을 가늘고 긴 형상의 빔으로 정형하는 빔 정형기(빔 모지나이저)(10), 정형된 레이저광(3)을 소정의 치수로 하기 위한 직사각형 슬릿(11), 빔 정형기(10)에서 선형으로 정형된 빔 형상을 평행광으로 변환하는 릴레이 렌즈(12), 투과하는 빔을 광축 주위로 회전시키는 이미지 회전자(13)와 이미지 회전자(13)를 저장하여 회전 베어링(18, 18') 등으로 회전 가능하게 구성된 저장 용기(17), 릴레이 렌즈(12)로 수송된 상을 XY 스테이지(14) 상에 적재된 기판(15) 상에 결상하는 결상 렌즈(16)로 구성되어 있다.
다음에, 각부의 동작 및 기능에 대해 상세하게 설명한다. 연속 발진 레이저광(3)은 어닐링 대상인 비정질 실리콘 박막 혹은 다결정 실리콘 박막에 대해 흡수가 있는 파장(자외 파장으로부터 가시 파장)이 바람직하다. 보다 구체적으로는, Ar 레이저 혹은 Kr 레이저와 그 제2 고조파, Nd : YAG 레이저, Nd : YVO4 레이저, Nd : YLF 레이저 등의 제2 고조파 및 제3 고조파 등을 적용 가능하지만, 출력의 크기 및 안정성을 고려하면, LD(레이저 다이오드) 여기 Nd : YAG 레이저의 제2 고조파(파장 532 ㎚) 혹은 LD 여기 Nd : YVO4 레이저의 제2 고조파(파장 532 ㎚)가 가장 바람직하다.
이들 발진기로부터 발생하는 레이저광은 원형으로 가우스형의 에너지 분포를 갖는다. 이후의 설명에서는 LD 여기 연속 발진 Nd : YVO4 레이저의 제2 고조파를 사용한 경우에 대해 설명한다.
레이저 발진기(4)로부터 발진된 레이저광(3)은 셔터(5)에 의해 온/오프된다. 즉, 레이저 발진기(4)는 항상 일정 출력으로 레이저광(3)을 발진한 상태로 설치하고, 셔터(5)는 통상적으로는 오프 상태로 하고, 레이저광(3)은 셔터(5)에 의해 차단되고 있다. 레이저광(3)을 조사하는 경우에만 이 셔터(5)를 개방함(온 상태)으로써 레이저광(3)을 출력시킨다. 여기용 레이저 다이오드(1)를 온/오프함으로써 레이저광(3)의 온/오프를 행하는 것은 가능하지만, 레이저 출력의 안정성을 확보하기 위해서는 바람직하지 않다. 이 밖에, 안전상의 관점으로부터 레이저광(3)의 조사를 멈추고자 하는 경우에도 셔터(5)를 폐쇄하면 된다.
셔터(5)를 통과한 레이저광(3)은 출력 조정에 사용하는 투과율 연속 가변 ND 필터(6)를 투과하여 EO 모듈레이터(7)로 입사된다. EO 모듈레이터(7)는 드라이버(도시하지 않음)를 거쳐서 포켈스 셀(결정)에 전압을 인가함으로써 결정을 투과하는 레이저광(3)의 편광 방향을 회전시킨다. 또한, 결정의 후방에 설치한 편광 빔 스플리터(8)로 P 편광 성분만을 통과시키고, S 편광 성분을 90도 편향시킴으로써 레이저광(3)의 온/오프를 행한다.
즉, 편광 빔 스플리터(8)에 대해 P 편광으로 입사하도록 레이저광(3)의 편광 방향을 회전시키기 위한 전압(V1)과, S 편광으로 입사하도록 레이저광(3)의 편광 방향을 회전시키기 위한 전압(V2)을 교대로 인가함으로써 레이저광(3)을 시간 변조한다. 당연, 전압 V1과 전압 V2 중간의 임의의 전압을 인가함으로써 임의의 출력으로 설정할 수도 있다. 또, 도1에서는 EO 모듈레이터로서 포켈스 셀(7)과 편광 빔 스플리터(8))를 조합함으로써 설명하였지만, 편광 빔 스플리터의 대체로서 각종 편광 소자를 이용할 수 있다. 이후의 설명에서는 포켈스 셀(7)과 편광 빔 스플리터(8)(또는 각종 편광 소자)를 조합한 것을 EO 모듈레이터라 하는 경우도 있다.
EO 모듈레이터 외에 AO(음향 광학) 모듈레이터를 사용할 수 있다. 일반적으로, AO 모듈레이터는 EO 모듈레이터와 비교하여 구동 주파수가 낮고, 또한 회절 효율도 70 ％ 내지 90 ％로 EO 모듈레이터와 비교하여 효율이 나쁘지만, 레이저광(3)이 직선 편광이 아닌 경우라도 온/오프를 행할 수 있는 특징이 있다. 이와 같이 EO 모듈레이터(6) 혹은 AO 모듈레이터 등의 변조기를 이용함으로써 연속 발진 레이저광으로부터 임의의 타이밍에서 임의의 파형(시간적인 에너지 변화)을 갖는 시간 변조 레이저광을 얻을 수 있다. 즉, 원하는 시간 변조를 행할 수 있다.
시간 변조된 레이저광(3)은 빔 직경을 조정하기 위한 빔 확장기(혹은 빔 리듀서)(9)로 빔 직경이 조정되어 빔 정형기(10)에 입사한다. 빔 정형기(10)는 레이저광(3)을 가늘고 긴 형상의 빔 형상으로 정형하기 위한 광학 소자이다. 여기서, 가늘고 긴 형상이라 함은 선형, 직사각 형상, 타원형 혹은 긴 원형을 의미한다. 통상, 가스 레이저나 고체 레이저는 가우스형의 에너지 분포를 갖는 원형의 빔이고, 그 상태에서는 본 발명의 레이저 어닐링에 사용할 수 없다. 발진기 출력이 충분히 크면, 빔 직경을 충분히 확대하여 중심 부분의 비교적 균일한 부분만을 절취함으로써 대략 균일한 에너지 분포를 얻을 수 있지만, 빔의 주변 부분을 버리게 되어 에너지의 대부분이 낭비된다. 이 결점을 해결하여 가우스형의 분포를 균일한 분포(톱 플랫)로 변환하기 위해 빔 정형기(빔 호모지나이저)(10)를 이용한다. 빔 정형기(10)라 함은, 레이저 발진기(4)로부터 출력한 빔의 에너지 분포를 레이저 어닐링에 적합한 가늘고 긴 형상의 빔으로 변환하기 위한 빔 정형기라 정의한다.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 관한 레이저 어닐링 장치에 채용 가능한 파웰 렌즈 방식의 호모지나이저를 설명하는 도면이다. 또한, 도3은 본 발명의 제1 실시예에 관한 레이저 어닐링 장치에 채용 가능한 칼라이드 스코프 방식의 호모지나이저를 설명하는 도면이다. 도4는 본 발명의 제1 실시예에 관한 레이저 어닐링 장치에 채용 가능한 회절 광학 소자 방식의 호모지나이저를 설명하는 도면이다. 도5는 본 발명의 제1 실시예에 관한 레이저 어닐링 장치에 채용 가능한 멀티 렌즈 어레이 방식의 호모지나이저를 설명하는 도면이다.
도1에 있어서의 빔 호모지나이저(10)로서, 도2에 도시하는 파웰 렌즈(22)와 원통형 렌즈(23)의 조합, 도3에 도시하는 칼라이드 스코프, 도4에 도시하는 회절 광학 소자, 도5에 도시하는 멀티 렌즈 어레이와 볼록 렌즈의 조합을 사용할 수 있다.
도2에 도시한 것은 파웰 렌즈(22)와 원통형 렌즈(원기둥 렌즈)(23)로 구성한 빔 정형기(10)이다. 파웰 렌즈(22)는 원통형 렌즈의 일종으로, 도2의 (a)에 도시한 바와 같이 가우스 분포의 레이저광(21)을 입사시킨 경우에 1축 방향으로 중심 부분의 에너지 밀도가 높은 부분은 성기게 되도록, 주변 부분의 에너지 밀도가 낮은 부분은 밀해지도록 투영면[도1에서는 직사각형 개항 슬릿(11)면] 상에 결상시킨다.
도2의 (a)에 도시한 면과 직각 방향, 즉 지면에 수직인 방향에 대해서는, 파웰 렌즈 단일 부재에서는 에너지 분포의 변화가 없는 상태이므로 도2의 (b)에 도시한 바와 같이 원통형 렌즈(23)에서 집광한다. 결과적으로, 긴 방향[도2의 (a)에 나타낸 방향]으로는 균일한 에너지 분포를 갖고, 짧은 방향[도2의 (b)에 나타낸 방향]으로는 가우스 분포를 갖는 가늘고 긴 형상의 빔이 직사각형 개구 슬릿(11)면 상에 형성되게 된다. 필요에 따라서, 빔 주변부의 에너지 밀도의 변화가 큰 부분, 혹은 경사진 부분은 직사각형 개구 슬릿(11)에 의해 차광함으로써 수직 상승의 급한 에너지 분포를 갖는 가늘고 긴 형상의 레이저광을 얻을 수 있다.
도3에 도시하는 칼라이드 스코프(25)는 레이저광(21)의 입사측이 원형, 타원형, 혹은 직사각형이고, 출사측이 원하는 형상(본 실시예에 있어서는 가늘고 긴 형상)으로 그 사이가 연속적으로 변화하는 통형으로 형성되어 있고, 내면은 레이저광(21)이 다중 또한 난반사하는 표면 상태로 되어 있다. 레이저광(21)을 필요에 따라서 렌즈(26)로 수속 혹은 발산시키면서 칼라이드 스코프(25) 내로 유도한다. 레이저광(21)은 칼라이드 스코프(25) 내표면에서 반사를 반복하여, 최종적으로는 출사구로부터 출사구의 형상으로 형성되어 출력한다. 이 경우, 칼라이드 스코프(25)의 사출구를 직사각형 개구 슬릿으로서 사용할 수 있다. 또, 도3에 있어서는 속이 빈 형태의 칼라이드 스코프를 도시하였지만, 내부가 투명 부재, 예를 들어 유리 혹은 석영 등으로 구성되어 있어도 좋다.
도4에 도시하는 회절 광학 소자(28)는 가우스 분포의 레이저광(21)을 입사함으로써 일방향[도4의 (a)에 나타내는 방향]으로 균일한 분포로, 또한 그 직각 방향[도4의 (b)에 나타내는 방향]으로는 가우스 분포에 집광되도록 설계되어 있다. 즉, 회절 광학 소자(28)는 석영 등의 기판에 포토 에칭 공정에 의해 미세한 단차를 형성하여 각각의 단차 부분을 투과하는 레이저광이 형성하는 회절 패턴을 결상면[본 실시예에서는 직사각형 개구 슬릿(11)면과 일치]에서 합성하여, 결과적으로 결상면[직사각형 개구 슬릿(11)면] 상에서 원하는 에너지 분포를 얻을 수 있도록 구성되어 있다.
도5에 도시하는 멀티 렌즈 어레이 방식의 호모지나이저는 멀티 렌즈 어레이[도5에서는 멀티 원통형 렌즈 어레이(31)로 구성], 릴레이 렌즈(32), 원통형 렌즈(33)로 구성되어 있다. 레이저광(21)은 도5의 (a)에 나타내고 있는 방향에 대해 멀티 렌즈 어레이(31)에 입사하고, 각 렌즈를 통과한 레이저광이 릴레이 렌즈(32)로 결상면[직사각형 개구 슬릿(11)면] 상에 투영되어 균일한 에너지 분포가 된다.
한편, 도5의 (b)에 도시한 바와 같이 도5의 (a)에 도시한 면과 직각 방향에 대해서는, 레이저광(21)은 원통형 렌즈(33)로 집광되어, 결상면[직사각형 개구 슬릿(11)면] 상에 가우스 분포의 에너지 분포를 얻을 수 있다. 필요에 따라서, 투영된 빔 주변부의 에너지 밀도의 변화가 큰 부분, 혹은 경사진 부분은 직사각형 개구 슬릿(11)에 의해 차광함으로써 수직 상승의 급한 에너지 분포를 얻을 수 있다.
그 밖에, 에너지가 충분히 큰 발진기(4)를 이용한 경우에는 빔 직경을 충분히 크게 확대하고, 직사각형 개구 슬릿에서 필요한 빔 부분을 절취하여 사용해도 좋다. 이 경우, 빔을 절취하는 수단, 예를 들어 직사각형, 선형, 타원형, 긴 원형 등의 어퍼쳐나 슬릿이 빔 정형기(10)가 된다. 또한, 에너지 밀도의 균일성에 상관없다면 원통형 렌즈를 빔 정형기(10)로서 사용할 수 있다. 이 경우, 레이저광은 일방향으로 압축되었을 뿐이므로, 압축된 방향을 가우스형 분포와 같이 짧은 방향으로 하고, 그와 직교하는 방향에 대해서도 원래의 빔 상태(가우스 분포)로 하여 필요에 따라서 어퍼쳐나 슬릿으로 중심 부분을 절취하여 사용하면 된다.
도1로 복귀하여, 빔 정형기(10)에서 얻게 된 가늘고 긴 형상의 빔은 릴레이 렌즈(튜브 렌즈라고도 함)(12)에 의해 평행광으로 변환되고, 이미지 회전자(13)를 투과한 후, 결상 렌즈(16)에 의해 기판(15) 상에 레이저광이 직사각형 개구 슬릿(11) 혹은 빔 정형기(10)로 정형된 빔의 투영상으로서 XY 스테이지(14) 상에 적재된 기판(15) 상에 집광 조사된다. 단, 결상 렌즈(16)의 촛점 거리가 충분히 큰 경우에는 릴레이 렌즈(12)를 이용하지 않고, 빔 정형기(10)와 결상 렌즈(16) 사이에 이미지 회전자(13)를 배치해도 좋다. 릴레이 렌즈(12)를 설치하는 경우에는 릴레이 렌즈(12)와 결상 렌즈(16)의 거리를 변화시켜도 기판 상에 투영되는 가늘고 긴 형상의 빔은 크기나 에너지 밀도가 변화하는 일은 없으므로, 릴레이 렌즈(12)와 결상 렌즈(16) 사이에 관찰 광학계나 에너지 모니터 광학계(여기서는 도시하지 않음) 등을 필요에 따라서 삽입하는 것이 가능해진다.
이미지 회전자(13)는 예를 들어 더브 프리즘이라 불리우는 프리즘을 사용할 수 있다. 이는 광축을 중심으로 회전 가능하게 설치함으로써 투과하는 광선을 더브 프리즘 회전각의 2배의 각도로 회전할 수 있다. 즉, 더브 프리즘을 원통형의 용기(17)에 저장하고, 회전 베어링(18) 등으로 보유 지지함으로써 용이하게 회전하는 것이 가능하다. 더브 프리즘을 45도 회전함으로써 투과하는 광선을 90도 회전할 수 있어, 본 실시예를 예로 들면 기판(15) 상에서 가늘고 긴 형상의 빔을 광축 주위로 90도 회전하게 된다. 즉, 본 발명의 어닐링 장치는 기판 상에 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 조사하는 경우에 가늘고 긴 형상의 긴 방향을 임의로 회전할 수 있는 구성으로 되어 있다. 또, 도1에는 회전을 구동하는 기구를 나타내고 있지 않지만, 모터 등을 직결하거나 혹은 기어, 벨트 등에 의해 회전력을 전달하면 된다.
또, 직교하는 2 방향 이외의 방향, 예를 들어 기판의 외형 기준에 대해 45도 방향으로 레이저광을 주사하는 경우에는 이미지 회전자(13)를 22.5도 회전시켜 가늘고 긴 형상의 빔을 45도 회전시키고, 스테이지를 X 방향 및 Y 방향으로 등속으로 이동함으로써 실현할 수 있다. 45도 이외의 각도에 대해서도 주사하는 방향으로 가늘고 긴 형상의 빔의 짧은 방향을 회전시켜, X 방향과 Y 방향의 속도 벡터의 합성이 주사 방향로 되도록 제어하면 된다.
또한, 더브 프리즘을 이용하는 대신에 반사 미러를 조합하여 더브 프리즘과 동일한 기능을 달성할 수 있다. 즉, 더브 프리즘에 의한 레이저광의 굴절 및 반사를 반사 미러에 의한 반사만으로 구성함으로써 실현할 수 있다.
[제2 실시예]
다음에, 본 발명의 제2 실시예에 대해 설명한다. 도6은 본 발명의 제2 실시예에 관한 레이저 어닐링 장치의 광학계 구성을 도시하는 도면이다. 또, 도1과 동일 부품에 대해서는 동일 번호를 부여하고 있다. 도6에 있어서, 이 레이저 어닐링 장치는 여기용 LD(레이저 다이오드)(1)와 파이버(2)로 결합된 연속 발진 레이저광(3)을 발생하는 레이저 발진기(4), 레이저광(3)의 온/오프를 행하는 셔터(5), 레이저광(3)의 에너지를 조정하기 위한 투과율 연속 가변 ND 필터(6), 레이저 발진기(4)로부터 출력된 레이저광(3)의 펄스화 및 에너지의 시간적인 변조를 실현하기 위한 전기 광학 모듈레이터(이후, EO 모듈레이터라 함)(7), 편광 빔 스플리터(8), 레이저광(3)의 빔계를 조정하기 위한 빔 확장기(빔 리듀서)(9), 레이저광(3)을 가늘고 긴 형상의 빔으로 정형하는 빔 정형기(10), 정형된 레이저광(3)을 소정의 치수로 하기 위한 직사각형 슬릿(11), 직사각형 슬릿(11) 상을 XY 스테이지(14) 상에 적재된 기판(15) 상에 결상하는 결상 렌즈(16) 및 빔 정형기(10)를 저장하여 회전 베어링(68) 등으로 회전 가능한 구조를 갖는 저장 용기(67)로 구성되어 있다.
다음에, 도6의 각부의 동작 및 기능에 대해 상세하게 설명한다. 연속 발진 레이저광(3)은 어닐링 대상인 비정질 실리콘 박막 혹은 다결정 실리콘 박막에 대해 흡수가 있는 파장(자외 파장 내지 가시 파장이 바람직함), 보다 구체적으로는 Ar 레이저 혹은 Kr 레이저와 그 제2 고조파, Nd : YAG 레이저, Nd : YVO4 레이저, Nd : YLF 레이저의 제2 고조파 및 제3 고조파 등이 적용 가능하다. 그러나, 출력의 크기 및 안정성을 고려하면, LD(레이저 다이오드) 여기 Nd : YAG 레이저의 제2 고조파(파장 532 ㎚) 혹은 Nd : YVO4 레이저의 제2 고조파(파장 532 ㎚)가 가장 바람직하다. 이들 발진기로부터 발생하는 레이저광은 원형으로 가우스형의 에너지 분포를 갖는다. 이후의 설명에서는 LD 여기 연속 발진 Nd : YVO4 레이저의 제2 고조파를 사용한 경우에 대해 설명한다.
레이저 발진기(4)로부터 발진된 레이저광(3)은 셔터(5)에 의해 온/오프된다. 즉, 레이저 발진기(4)는 항상 일정 출력으로 레이저광(3)을 발진한 상태로 설치되고, 셔터(5)는 통상적으로는 오프 상태로 하고, 레이저광(3)은 셔터(5)에 의헤 차단되어 있다. 레이저광(3)을 조사하는 경우에만 이 셔터(5)를 개방함(온 상태)으로써 레이저광(3)을 출력시킨다. 여기용 레이저 다이오드(1)를 온/오프함으로써 레이저광(3)의 온/오프를 행하는 것은 가능하지만, 레이저 출력의 안정성을 확보하기 위해서는 바람직하지 않다. 이 밖에, 안전상의 관점으로부터 레이저광(3)의 조사를 멈추고자 하는 경우에도 셔터(5)를 폐쇄하면 된다.
셔터(5)를 통과한 레이저광(3)은 출력 조정에 사용하는 투과율 연속 가변 ND 필터(6)를 투과하여 EO 모듈레이터(7)로 입사된다. EO 모듈레이터(7)는 드라이버(도시하지 않음)를 거쳐서 포켈스 셀(결정)에 전압을 인가함으로써, 결정을 투과하는 레이저광(3)의 편광 방향을 회전시켜 결정의 후방에 놓인 편광 빔 스플리터(8)로 P 편광 성분만을 통과, S 편광 성분을 90도 편향시킴으로써 레이저광(3)의 온/오프를 행한다. 즉, 편광 빔 스플리터(8)에 대해 P 편광으로 입사하도록 레이저광(3)의 편광 방향을 회전시키기 위한 전압(V1)과, S 편광으로 입사하도록 레이저광(3)의 편광 방향을 회전시키기 위한 전압(V2)을 교대로 인가함으로써 레이저광(3)을 시간 변조한다. 당연히, V1과 V2 중간의 임의의 전압을 인가함으로써 임의의 출력으로 설정할 수도 있다.
또, 도6에서는 EO 모듈레이터로서 포켈스 셀(7)과 편광 빔 스플리터(8)를 조합함으로써 설명하였지만, 편광 빔 스플리터의 대체로서 각종 편광 소자를 이용할 수 있다. 이후의 설명에서는 포켈스 셀(7)과 편광 빔 스플리터(8)(또는 각종 편광 소자)를 조합한 것을 EO 모듈레이터라 하는 경우도 있다.
EO 모듈레이터 외에 AO(음향 광학) 모듈레이터를 사용할 수 있다. 일반적으로 AO 모듈레이터는 EO 모듈레이터와 비교하여 구동 주파수가 낮고, 또한 회절 효율도 70 내지 90 ％로 EO 모듈레이터와 비교하여 효율이 나쁘지만, 레이저광이 직선 편광이 아닌 경우라도 온/오프를 행할 수 있는 특징이 있다. 이와 같이 EO 모듈레이터(7) 혹은 AO 모듈레이터 등의 변조기를 이용함으로써 연속 발진 레이저광으로부터 임의의 타이밍에서 임의의 파형(시간적인 에너지 변화)을 갖는 시간 변조 레이저광을 얻을 수 있다. 즉, 원하는 시간 변조를 행할 수 있다.
시간 변조된 레이저광(3)은 빔 직경을 조정하기 위한 빔 확장기(혹은 빔 리듀서)(9)로 빔 직경이 조정되어 빔 정형기(10)에 입사한다. 빔 정형기(10)는 레이저광(3)을 가늘고 긴 형상의 빔으로 정형하기 위한 광학 소자이다. 여기서 가늘고 긴 형상이라 함은, 선형, 직사각형, 타원형 혹은 긴 원형을 의미한다. 통상, 가스 레이저나 고체 레이저는 가우스형의 에너지 분포를 갖는 원형의 빔이고, 그 상태에서는 본 발명의 레이저 어닐링에 사용할 수는 없다. 발진기 출력이 충분히 크면, 빔 직경을 충분히 확대하여 중심 부분의 비교적 균일한 부분만을 절취함으로써 대략 균일한 에너지 분포를 얻을 수 있지만, 빔의 주변 부분을 버리게 되어 에너지의 대부분이 낭비된다. 이 결점을 해결하여 가우스형의 분포를 균일한 분포(톱 플랫)로 변환하기 위해 빔 정형기(10)를 이용한다.
또, 빔 정형기(10)로서 상기 도2에 도시한 파웰 렌즈와 원통형 렌즈의 조합, 도3에 도시한 칼라이드 스코프, 도4에 도시한 회절 광학 소자, 도5에 도시한 멀티 렌즈(혹은 원통형 렌즈) 어레이와 원통형 렌즈의 조합을 이용할 수 있다. 이 밖에, 에너지가 충분히 큰 발진기(4)를 이용한 경우에는 빔 직경을 충분히 크게 확대하여 직사각형 개구 슬릿으로 필요한 빔 부분을 절취하여 사용해도 좋다. 이 경우, 빔을 절취하는 수단, 예를 들어 직사각형, 선형, 타원형, 긴 원형 등의 어퍼쳐나 슬릿이 빔 정형기(10)가 된다.
또한, 에너지 밀도의 균일성에 상관없이 원통형 렌즈를 빔 정형기(10)로서 사용할 수 있다. 이 경우, 레이저광은 일방향으로 압축될 뿐이므로, 일방향을 짧은 방향으로 하고, 그와 직교하는 방향으로는 원래의 빔 상태의 가우스 분포가 되어 필요에 따라서 중심 부분을 절취하여 사용하면 된다. 이들 빔 정형기 중에서 구성이 단순해 임의의 형상 및 에너지 분포를 얻을 수 있는 점에서 회절 광학 소자가 가장 우수하다.
빔 정형기(10)로 얻게 된 가늘고 긴 형상의 빔은 결상 렌즈(16)에 의해 레이저광이 직사각형 개구 슬릿(11) 혹은 빔 정형기(10)로 정형된 빔의 투영상으로서 스테이지(14) 상에 적재된 기판(15) 상에 집광 조사된다. 여기서, 빔 정형기(10)에서 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 릴레이 렌즈(혹은 튜브 렌즈라고 도 함)에 의해 평행광으로 변환하고, 그 후 결상 렌즈(16)에 의해 기판 상에 가늘고 긴 형상의 빔으로서 투영해도 좋다. 이 경우, 릴레이 렌즈와 결상 렌즈의 거리를 변화시켜도 기판 상에 투영되는 가늘고 긴 형상의 빔은 크기나 에너지 밀도가 변화하는 일은 없다. 이로 인해, 릴레이 렌즈를 설치함으로써 릴레이 렌즈와 결상 렌즈(16) 사이에 관찰 광학계나 에너지 모니터 광학계 등을 필요에 따라서 삽입할 수 있다.
빔 정형기(10)는 원통형의 용기(67)에 저장되어 회전 베어링(68, 68') 등으로 보유 지지함으로써 쉽게 회전시키는 것이 가능하다. 레이저광의 광축과 빔 정형기(10)의 회전 중심을 일치시켜 회전시킴으로써 통과하는 레이저광을 회전시킬 수 있다.
본 실시예를 예로 들면, 기판(15) 상에서 선형(직사각형)의 빔을 90도 회전하기 위해서는 저장 용기(67)를 90도 회전시키면 된다. 즉, 본 발명에 관한 어닐링 장치는 기판 상에 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 조사하는 경우에 가늘고 긴 형상의 빔의 긴 방향을 임의로 회전할 수 있는 구성으로 되어 있다. 또, 도6에는 회전을 구동하는 기구를 나타내고 있지 않지만, 모터 등을 직결하거나, 혹은 기어, 벨트 등에 의해 회전력을 전달하면 된다. 또한, 도6에 나타낸 다른 실시예의 설명에 있어서, 가늘고 긴 형상으로 정형된 빔을 회전시키기 위해 빔 정형기(10)를 용기에 저장하여 90도 회전하는 경우, 직사각형 개구 슬릿(11)의 X 방향 치수와 Y 방향 치수를 절환할 필요가 있다. 직사각형 개구 슬릿(11)을 사용하지 않는 경우는 그 뿐만은 아니다.
또, 직교하는 2 방향 이외의 방향, 예를 들어 기판의 외형에 대해 45도 방향으로 레이저광을 주사하는 경우에는 빔 정형기를 45도 회전시켜 가늘고 긴 형상의 빔을 45도 회전시키고, 스테이지(14)를 X 방향 및 Y 방향으로 등속으로 이동함으로써 실현할 수 있다. 45도 이외의 각도에 대해서도 주사하는 방향으로 가늘고 긴 형상의 빔의 짧은 방향을 맞추어, X 방향과 Y 방향의 속도 벡터의 합성이 주사 방향이 되도록 스테이지(14)의 이동을 제어하면 된다. 이 경우, 직사각형 개구 슬릿(11)은 빔 정형기(10)와 동일한 각도만큼 회전시켜도 좋고, 직사각형 개구 슬릿(11)을 회전시키지 않는 경우에는 개방 상태로 하여 빔을 차광하지 않도록 대책하거나, 혹은 각도를 가진 상태에서 원하는 길이로 조정해도 좋다. 혹은, 직사각형 개구 슬릿(11)을 빔 정형기(10)와 일체로 원하는 각도만큼 회전시켜도 좋다.
[제3 실시예]
다음에, 전술한 레이저 어닐링 장치를 이용하여 실시하는 본 발명에 관한 레이저 어닐링 방법의 실시예를 본 발명의 제3 실시예로서 설명한다. 도1과 도7에 따라서 설명한다. 도7은 본 발명에 관한 레이저 어닐링 방법의 실시예를 설명하는 도면이다. 여기서 사용하는 기판(15)(도1)은 유리 기판(101)의 1주면에 절연체 박막(도시하지 않음)을 거쳐서 비정질 실리콘 박막을 형성하고, 엑시머 레이저광을 전체면 주사함으로써 다결정 실리콘 박막(102)에 결정화시킨 다결정 실리콘 박막 기판을 이용한다. 여기서, 절연체 박막은 SiO2 혹은 SiN 혹은 그들의 복합막이다. 다결정 실리콘 박막 기판(15)을 반송 로봇 등으로 XY 스테이지(14) 상에 장착 및 고정한다.
이 다결정 실리콘 박막 기판(15)에 복수 부위에 어닐링에 사용하는 레이저광, 혹은 따로 설치한 얼라인먼트 마크 형성용 레이저광에 의해 얼라인먼트 마크를 형성하고, 형성된 얼라인먼트를 검출하여 얼라인먼트를 행한다. 얼라인먼트 마크는 미리 포토 에칭 공정으로 형성해도 좋고, 잉크젯 등의 방법으로 형성해도 좋다. 또, 얼라인먼트 마크를 사용하지 않는 경우에는 기판(15)의 단부면을 XY 스테이지(14)에 설치한 핀(도시하지 않음) 등으로 압박하여 얼라인먼트를 행해도 좋다. 또한, 기판(15)의 단부면을 스테이지에 설치한 핀(도시하지 않음) 등으로 압박하여 얼라인먼트를 행하고, 소정 영역의 레이저 어닐링이 전부 완료된 후에 어닐링 영역과 일정 관계에 있는 위치에 얼라인먼트 마크를 형성해도 좋다.
이 얼라인먼트 마크는 레이저 어닐링 공정 후 최초의 포토레지스트 공정(통상은 실리콘 박막의 에칭 공정)에 있어서의 노광 위치 결정(포토마스크의 위치 결정)에 사용할 수 있으면 된다. 그 이후의 포토레지스트 공정에 있어서는 최초의 포토레지스트 공정에서 새롭게 형성한 얼라인먼트 마크를 사용한다.
검출된 얼라인먼트 마크 위치를 기준으로, 설계 상의 좌표에 따라서 우선 도7의 (a)에 나타낸 바와 같이 드레인선(신호선) 구동 회로부(104)에 레이저광(103)을 주사 및 조사한다.
레이저광은 EO 모듈레이터(7)에 의해 임의의 조사 시간 폭으로 절취하고, 빔 정형기(10)에 의해 선형의 에너지 분포로 정형하여 직사각형 개구 슬릿(11), 릴레이 렌즈(12), 이미지 회전자(13)를 투과하고, 결상 렌즈(16)에 의해 가늘고 긴 형상의 빔으로서 레이저광(103)을 다결정 실리콘 박막(102)에 조사한다. 이 때, XY 스테이지(14)를 고속으로 이동함으로써 가늘고 긴 형상의 빔을 긴 방향과 직교하는 방향(짧은 방향)으로 이동하고, 어닐링을 필요로 하는 영역을 주사할 수 있다. 또한, 이 때의 가늘고 긴 형상의 빔은 짧은 방향(폭 방향)이 10 ㎜ 이하로, 바람직하게는 2 ㎜ 내지 5 ㎜로, 긴 방향은 레이저 발신기 출력에 의존하지만, 연속 발진 출력 10 W의 경우에 수백 ㎜ 내지 수 ㎜로 정형된다.
여기서, 짧은 방향의 치수에 하한을 나타낸 것은 보다 가늘게 집광함으로써 촛점 심도가 얕아지고, 기판의 주름 등으로 디포커스가 발생하여 에너지 밀도가 저하되어 양호한 어닐링을 행할 수 없게 되기 때문이다. 자동 촛점 기구를 부가하거나 혹은 미리 기판 표면의 변위를 측정해 두고, 항상 기판 표면이 대물 렌즈(투영 렌즈)의 촛점 심도 내로 보유 지지함으로써 이 제한은 무시할 수 있다. 주사 속도는 실리콘 막 두께, 혹은 가늘고 긴 형상 빔의 짧은 방향 치수에도 관계가 있지만, 300 ㎜/s 내지 1000 ㎜/s의 범위가 적합하다. 또, 도7에 있어서, 레이저광(103)이 이동하고 있는 것처럼 나타내고 있지만, 스테이지(14)[즉, 기판(15)]를 이동시켜도 좋다.
여기서, 시간 변조되어 가늘고 긴 빔 형상으로 정형된 연속 발진 레이저광을 주사하면서 조사한 경우의 다결정 실리콘 박막의 거동을 도8에 따라서 설명한다. 도8은 가늘고 긴 형상으로 정형된 빔을 조사하여 다결정 실리콘막 기판에 띠형 결정을 형성하는 공정을 나타내는 도면이다. 또한, 도9는 형성된 띠형 결정으로 박막 트랜지스터를 형성하는 공정을 나타내는 도면이다. 도8의 (a)에 도시한 바와 같이 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광(201)을 다결정 실리콘막(200) 상에 주사하면서 영역(202)에 조사한다. 적절한 파워 밀도로 조사한 경우, 레이저 조사 영역(202) 이외의 다결정 실리콘막(200)은 그대로 남지만, 레이저 조사 영역(202) 내의 다결정 실리콘막은 용융한다.
그 후, 레이저광(201)이 통과함으로써 급속히 응고 및 결정화한다. 이 때, 도8의 (b)에 도시한 바와 같이 조사 개시부에서 최초로 용융된 영역의 실리콘으로부터 냉각 및 응고가 시작되지만, 레이저 조사 영역(202)에 접하고 있는 결정 입자예를 들어 부호 204가 종결정이 되어 레이저광의 주사 방향으로 결정 성장한다. 그러나, 그 성장 속도는 결정의 방위에 따라 다르므로, 최종적으로는 가장 성장 속도가 빠른 결정 방위를 갖는 결정 입자만이 결정 성장을 계속한다.
즉, 도8의 (b)에 도시한 바와 같이 성장 속도가 느린 결정 방위를 갖는 결정 입자(205)는 주위의 성장 속도가 빠른 결정 방위를 갖는 결정 입자(206, 207)의 성장에서 억제되어 결정 성장이 멈춘다. 또한, 성장 속도가 중간 정도인 결정 방위를 갖는 결정 입자(206)는 성장을 계속하지만, 다시 성장 속도가 큰 결정 입자(207, 208)의 성장에서 억제되어 머지않아 결정 성장이 정지한다. 최종적으로는 결정 성장 속도가 가장 큰 결정 방위를 갖는 결정 입자(207, 208)가 성장을 계속한다.
단, 무한하게 성장하는 것은 아니고, 5 내지 50 μ 정도의 길이로 성장하면, 이어 새롭게 성장을 개시한 결정 입자에서 억제되거나 복수의 결정 입자로 분할되거나 하므로, 결과적으로 폭이 0.2 내지 2 μ, 길이 5 내지 50 μ의 결정 입자를 얻을 수 있다. 이들, 최후까지 결정 성장이 계속된 결정 입자(207, 208, 209, 210, 211, 212)는 엄밀한 의미에서는 독립된 결정 입자이지만, 거의 동일한 결정 방위를 갖고 있고, 용융 재결정된 부분은 실리콘 결정이 횡방향 성장하여 띠형의 결정 입자로 구성되는 다결정막이 된다. 이 다결정막은 실효적으로 대략 단일 결정(의사 단일 결정)으로 볼 수 있다. 게다가, 이 레이저 어닐링 후에 있어서의 표면의 요철은 1O ㎚ 이하로 매우 평탄한 표면 상태이다.
레이저광(201)을 상기한 바와 같이 다결정 실리콘 박막(200)에 조사함으로써, 레이저광(201)을 조사한 영역(202)이 아일랜드형(타일형)으로 어닐링되어 특정한 결정 방위를 갖는 결정 입자만이 성장하여 엄밀한 의미에서는 다결정 상태이지만, 대략 단일 결정에 가까운 성질을 갖는 영역이 형성된 것이 된다.
도9의 (a)에 도시한 바와 같이 어닐링의 이후에 실시되는 포토 에칭 공정에 의해 아일랜드형의 실리콘 박막 영역(250, 351)을 형성하고, 소정 영역에 불순물 확산, 게이트 절연막 형성 등의 공정을 거쳐서 도9의 (b)에 도시한 바와 같이 게이트 전극(253), 소스 전극(254), 드레인 전극(255)을 형성하여 박막 트랜지스터(TFT)가 완성된다. 도9의 (b)에 도시한 바와 같이 띠형 결정 입자의 입계 방향(결정의 성장 방향)을 전류가 흐르는 방향과 일치시킴으로써 전류는 결정 입계를 가로지르는 일이 없으므로 실질적으로 단일 결정이라 생각해도 좋다. 이 때의 실리콘막 이동도로서 400 ㎠/Vs 이상, 전형적으는 450 ㎠/Vs를 얻을 수 있다.
또, 도7에서는 유리 기판으로서 1패널분만 나타내고 있지만, 실제로는 기판 내에 다수의 패널이 형성된다. 도10은 본명의 다른 실시예에 의해 어닐링된 영역을 나타내는 도면이다. 도10의 (a)에 도시한 바와 같이 1패널(302) 내를 연속해서 하나의 블럭(310)이 되도록 레이저광(103)을 조사하도록 나타내고 있지만, 도10의 (b)에 도시한 바와 같이 EO 모듈레이터에 의해 레이저광(103)의 온/오프를 반복하여 복수의 조사 블럭(311, 311')으로 분할된 의사 단일 결정 영역을 형성해도 좋다. 단, 적어도 패널과 패널 간극 부분에서는 결정 성장을 갱신하기 위해 레이저광이 오프 상태가 되거나, 혹은 결정 성장이 발생하지 않는 에너지 밀도로 하는 것이 필요하다.
또한, 도7의 (a)에서는 1회의 주사로 드레인선(신호선) 구동 회로부(104)에의 레이저 조사를 완료시켰지만, 조사 폭(선형으로 정형된 빔의 긴 방향 치수)은 레이저(103)의 출력 및 설계상으로부터 구동 회로를 형성하는 데 필요로 하는 폭에 의존하고 있어, 1회의 주사로 소정의 영역 전부를 어닐링할 수 없는 경우에는 필요에 따라서 복수회의 주사를 행하면 된다.
도7로 복귀하여 드레인선(신호선) 구동 회로부(104)에의 레이저 조사가 종료되면, 도1 이미지 회전자(13)를 저장한 용기(17)를 45도 회전시킴으로써 내부에 저장되어 있는 이미지 회전자(13)를 레이저광의 광축을 중심으로 하여 45도 회전시킨다. 혹은, 빔 정형기(10)를 90도 회전시킨다. 그 후, 설계 정보에 따라서 드레인선 구동 회로부(104)를 어닐링한 방향과 직교하는 방향(90도 회전한 방향)으로 XY 스테이지(14)를 이동시킨다. 이에 의해, 도7의 (b)에 도시한 바와 같이 드레인선(신호선) 구동 회로부(104)에의 조사와 동일한 요령으로 게이트선(주사선) 구동 회로부(106)에 레이저광(103)을 주사하면서 조사한다.
도7의 (b)에서는 1 패널 내를 연속한 레이저광(103)을 조사하였지만, EO 모듈레이터에 의해 레이저광(103)의 온/오프를 반복하여 복수의 블럭으로 분할된 의사 단일 결정 영역을 형성해도 좋다. 또한, 도7의 (b)에서는 1회의 주사로 게이트선(주사선) 구동 회로부(106)에의 레이저 조사를 완료시켰지만, 조사 폭은 레이저(103)의 출력 및 설계상으로부터 구동 회로를 형성하는 데 필요로 하는 폭에 의존하고 있고, 1회의 주사로 소정의 영역 전체를 어닐링할 수 없는 경우에는 필요에 따라서 복수회의 주사를 행해도 좋다.
다음에, 필요에 따라서 도7의 (c)에 도시한 바와 같이 인터페이스 회로부 등의 주변 회로부(107)에 드레인선(신호선) 구동 회로부(104) 및 게이트선(주사선) 구동 회로부(106)에 레이저광을 주사한 것과 동일한 요령으로, 레이저광(103)을 조사하면서 스테이지를 주사하여 기판(15)에 대한 레이저 어닐링 처리가 완료된다. 처리가 완료된 기판(15)은 반송 로봇(도시하지 않음) 등에 의해 반출하고, 이어서 새로운 기판을 반입하여 어닐링 처리를 계속한다.
상기 방법에 의해 유리 기판(15) 상에 형성된 다결정막의 드레인선 구동 회로 영역(104), 게이트선 구동 회로 영역(106) 및 필요에 따라서 기타 주변 회로 영역(107)에 시간 변조를 가한 연속 발진 레이저광을 가늘고 긴 형상으로 집광하여 조사할 수 있다. 이 조사에 의해, 실리콘막은 용융하여 레이저광의 통과와 함께 재응고하고, 레이저광의 주사 방향으로 결정 입자가 성장한다. 이 때 형성되는 결정 입자는 레이저 조사 조건에 따라서도 다르지만, 일반적으로는 레이저광의 주사 방향에 대해 5 μ 내지 50 μ, 레이저광의 주사 방향에 대해 직각 방향으로는 0.2 μ 내지 2 μ 정도의 띠형 결정이 된다. 유리 기판 상에 형성하는 TFT(박막 트랜지스터)의 소스 드레인 방향을 결정의 성장 방향과 맞춤으로써 고성능의 트랜지스터를 형성할 수 있다.
또, 본 실시예에 있어서, 유리 기판 상에 다결정 실리콘막을 형성한 기판을 대상으로 어닐링하는 경우에 대해 설명해 왔지만, 유리 기판 상에 비정질 실리콘막을 형성한 기판을 대상으로 어닐링한 경우도 동일한 효과가 있는 것은 물론이다.
이에 의해, 본 발명의 레이저 어닐링 방법 및 레이저 어닐링 장치는 TFT 혹은 액정 패널이나 유기 EL을 대표로 하는 표시 패널의 제조에 적용할 수 있다. 액정 패널의 제조에 본 발명을 적용하는 경우에는 2매의 기판 중 한 쪽을 구성하는 액티브 매트릭스 기판이라고도 하는 측의 기판(TFT 기판)에 상기 실시예에서 설명한 레이저 어닐링을 적용한다. 그 결과 얻게 된 실리콘막에 구동 회로의 박막 트랜지스터 등을 만들어 넣는다. 표시 영역에는 매트릭스 형상으로 형성된 다수의 화소를 갖고 있고, 2매의 기판의 다른 쪽을 접합하여 양 기판의 간극에 액정을 봉입하여 액정 패널을 얻는다. 또한, 유기 EL 패널의 경우에는 TFT 기판에 갖는 각 화소에 유기 발광층을 도포하고, 이 유기 발광층을 주위 환경으로부터 차단하는 밀봉관이라 하는 유리를 적합하게 하는 절연 부재를 접합한다.
상기한 실시예에 있어서, 실리콘 박막의 어닐링에 사용하는 레이저로서 연속 발진 레이저광을 발생하는 레이저 발진기를 이용한 경우에 대해 설명해 왔다. 그러나, 본 발명의 레이저 어닐링 방법 및 레이저 어닐링 장치는 그에 한정되는 것은 아니다. 비정질 실리콘 박막 혹은 다결정 실리콘 박막을 형성한 기판에 엑시머 레이저, LD 여기 펄스 YAG 레이저의 고조파, LD 여기 YVO4 레이저의 고조파, LD 여기 YLF 레이저의 고조파 등의 펄스 레이저를 조사하여 행하는 어닐링에 적용할 수 있는 것은 명백하다. 특히, SLS(Sequential Lateral Solidification)라 불리우는 펄스 레이저광을 선형으로 집광하여 1 μ 이하의(전형적으로는 0.5 μ 정도의) 미소한 피치에서의 조사와 고정밀도인 이동을 반복하여, 혹은 일정 속도로 이동시키면서 일정 반복으로 조사하면서 레이저광의 이동 방향으로 결정을 성장시키는 어닐링 방법에도 적용 가능하다.
본 발명을 따라 몇몇 실시예를 설명 및 도시하였지만, 설명된 실시예들은 본 발명의 범주 내에서 변경 및 변형이 가능하다는 것을 알 수 있다. 그러므로 본원에 설명 및 도시된 상세 내역에 제한되려는 것이 아니며, 본 발명의 범주 내에서 모든 변형 및 변경을 포함하는 것을 의도한다,
종래 기술의 문제점을 해결하여 스테이지의 소형화 및 경량화를 실현하고, 스테이지의 장기 수명화, 또는 장치 비용의 저감을 도모하여 표시 패널의 제조에 적합한 레이저 어닐링 방법과 그 장치를 제공한다.
도1은 본 발명의 일실시예에 관한 어닐링 장치의 광학계 구성을 도시하는 도면.
도2는 본 발명의 일실시예에 관한 레이저 어닐링 장치에 채용 가능한 파웰 렌즈 방식의 호모지나이저를 설명하는 도면.
도3은 본 발명의 일실시예에 관한 레이저 어닐링 장치에 채용 가능한 칼라이드 스코프 방식의 호모지나이저를 설명하는 도면.
도4는 본 발명의 일실시예에 관한 레이저 어닐링 장치에 채용 가능한 회절 광학 소자 방식의 호모지나이저를 설명하는 도면.
도5는 본 발명의 일실시예에 관한 레이저 어닐링 장치에 채용 가능한 멀티 렌즈 어레이 방식의 호모지나이저를 설명하는 도면.
도6은 본 발명의 다른 실시예에 관한 레이저 어닐링 장치의 광학계 구성을 도시하는 도면.
도7은 본 발명에 관한 레이저 어닐링 방법의 일실시예를 설명하는 도면.
도8은 정형 빔을 조사하여 다결정 실리콘막 기판에 띠형 결정을 형성하는 공정을 나타내는 도면.
도9는 형성된 띠형 결정으로 박막 트랜지스터를 형성하는 공정을 나타내는 도면.
도10은 본명의 다른 실시예에 의해 어닐링된 영역을 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 여기용 레이저 다이오드
2 : 파이버
3 : 레이저광
4 : 레이저 발진기
5 : 셔터
6 : 투과율 연속 가변 ND 필터
7 : EO 모듈레이터
8 : 편광 빔 스플리터
9 : 빔 확장기
10 : 빔 정형기
11 : 직사각형 슬릿
12 : 릴레이 렌즈
13 : 이미지 회전자
14 : XY 스테이지
15 : 기판
16 : 결상 렌즈
17 : 저장 용기

Claims (14)

  1. 기판을 적재하여 직교하는 2 방향으로 이동하기 위한 스테이지와, 레이저광을 발진하는 레이저 발진기와, 상기 레이저광을 가늘고 긴 형상으로 정형하는 빔 정형기와, 상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 상기 스테이지 상에 적재한 상기 기판 상에 투영하는 위치 관계에 배치된 결상 렌즈로 구성되고, 상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 상기 레이저광을 상기 레이저광의 광축 주위로 회전하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  2. 기판을 적재하여 직교하는 2 방향으로 이동하기 위한 스테이지와, 레이저광을 발진하는 레이저 발진기와, 상기 레이저광을 가늘고 긴 형상으로 정형하는 빔 정형기와, 상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 평행광으로 변환하기 위한 릴레이 렌즈와, 상기 평행광으로 변환된 레이저광을 상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 상태에서 상기 스테이지 상에 적재한 상기 기판 상에 투영하는 위치 관계로 배치된 결상 렌즈로 구성되고, 상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 상기 레이저광을 상기 레이저광의 광축 주위로 회전하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 상기 레이저광을 상기 레이저광의 광축 주위로 회전하는 수단이 상기 레이저광을 선형 또는 직사각형으로 정형하는 빔 정형기 이후에 또한 상기 결상 렌즈 이전에 삽입된 이미지 회전자인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 상기 레이저광을 상기 레이저광의 광축 주위로 회전하는 수단이 상기 레이저광을 선형 또는 직사각 형상으로 정형하는 빔 정형기 이후에 또한 상기 결상 렌즈 이전에 삽입된 이미지 회전자인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  5. 제3항에 있어서, 레이저광을 가늘고 긴 형상으로 정형하는 빔 정형기가 파웰 렌즈와 원통형 렌즈의 조합, 혹은 칼라이드 스코프, 혹은 회절 광학 소자, 혹은 멀티 렌즈 어레이와 원통형 렌즈의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  6. 제4항에 있어서, 레이저광을 가늘고 긴 형상으로 정형하는 빔 정형기가 파웰 렌즈와 원통형 렌즈의 조합, 혹은 칼라이드 스코프, 혹은 회절 광학 소자, 혹은 멀티 렌즈 어레이와 원통형 렌즈의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 광축 주위로 회전하는 수단이 적어도 레이저광을 가늘고 긴 형상으로 정형하는 상기 빔 정형기를 상기 레이저광의 광축 주위로 회전 가능하게 구성한 기구인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 광축 주위로 회전하는 수단이 적어도 레이저광을 가늘고 긴 형상으로 정형하는 상기 빔 정형기를 상기 레이저광의 광축 주위로 회전 가능하게 구성한 기구인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  9. 제1항에 있어서, 레이저광을 가늘고 긴 형상으로 정형하는 빔 정형기가 파웰 렌즈와 원통형 렌즈의 조합, 혹은 칼라이드 스코프, 혹은 회절 광학 소자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  10. 제2항에 있어서, 레이저광을 가늘고 긴 형상으로 정형하는 빔 정형기가 파웰 렌즈와 원통형 렌즈의 조합, 혹은 칼라이드 스코프, 혹은 회절 광학 소자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 레이저 발진기가 연속 발진 레이저광을 발생하는 발진기이고, 상기 레이저광을 가늘고 긴 형상으로 정형하는 상기 빔 정형기보다 전방에 시간 변조기가 설치되고, 상기 시간 변조기에 의해 시간 변조된 연속 발진 레이저광이 가늘고 긴 형상으로 정형되는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  12. 1주면에 비정질 실리콘막 혹은 다결정 실리콘막이 형성된 기판을 스테이지 상에 적재하고, 상기 기판 상의 비정질 실리콘막 혹은 다결정 실리콘막의 원하는 영역에 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 조사하면서 주사하는 레이저 어닐링 방법이며, 상기 기판 상의 복수의 방향으로 상기 레이저광을 주사할 때에, 상기 기판을 회전시키는 일 없이 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 광축 주위로 회전시켜, 상기 기판을 적재한 상기 스테이지는 직행하는 2방향으로만 이동함으로써 원하는 위치, 원하는 방향으로 상기 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광을 조사하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  13. 제12항에 있어서, 1주면에 비정질 실리콘막 혹은 다결정 실리콘막이 형성된 상기 기판에 조사되는 레이저광이 시간 변조된 연속 발진 레이저광이고, 또한 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  14. 제12항에 있어서, 1주면에 비정질 실리콘막 혹은 다결정 실리콘막이 형성된 상기 기판에 조사되는 레이저광이 펄스 발진된 레이저광이고, 또한 가늘고 긴 형상으로 정형된 레이저광인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
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