KR20080103390A - 결정화 장치 및 결정화 방법 - Google Patents

Abstract

(과제) 결정화 장치에 있어서, 높은 에너지 밀도의 출력을 얻을 수 있는 가시광원을 제공한다.

(해결수단) 가시광 조사계는, 2 차원 어레이 배열한 복수의 가시광 레이저 광원에 의해서 형성한다. 가시광 조사계는, 각 가시광 레이저 광원으로부터 나온 복수의 가시광 레이저 광의 광 강도분포를 패터닝하는 광 강도분포 형성수단과, 이 광 강도분포 형성수단으로 패터닝한 광 강도분포의 광을 피처리 기판 상의 조사 영역에 결상시키는 결상 광학계를 구비한다. 피처리 기판과 광축 상의 결상 위치 관계에 해당하는 광 강도분포 형성수단에 대해서, 복수의 고체 레이저 또는 반도체 레이저가 발하는 각 가시 레이저 광을 중첩시킨다. 엑시머 레이저 광과 가시광 레이저 광과의 중첩에 있어서, 복수의 가시광의 레이저 광원으로부터 나온 복수의 가시광 레이저 광을 중첩하여, 이 중첩에 의해 형성되는 가시광 레이저 광의 광 강도분포에 의해서 결정 성장을 형성한다.

결정화 장치, 가시광원, 레이저 광, 광 강도분포, 결상 광학계

Description

결정화 장치 및 결정화 방법{CRYSTALLIZATION APPARATUS AND CRYSTALLIZATION METHOD}

본 발명은, 비결정질 혹은 다결정 반도체 박막에 광선을 이용하여 용융시키고 결정화시키는 결정화 장치에 관한 것으로서, 특히 위상 변조하여 얻어지는 광 강도분포를 가지는 레이저 광을 비 단결정(非單結晶) 반도체 박막에 조사하여 결정화시키는 기술(Phase Modulated Excimer Laser Annealing: PMELA)에 관한 것이다.

유리 기판 등의 절연체 상에 형성된 비결정 반도체 층을 결정화시켜 결정질 반도체 층을 얻고, 이 결정질 반도체 층을 활성층으로 한 박막 트랜지스터(TFT: thin film transistor)를 형성하는 기술이 알려져 있다.

예컨대, 액티브 매트릭스형 액정 표시장치에서는, 실리콘 막 등의 반도체 막을 설치하여 유리 기판 상에 박막 트랜지스터를 형성하고, 이 박막 트랜지스터를 전환 표시를 행하기 위한 스위칭 소자로서 이용하고 있다.

박막 트랜지스터의 형성은, 비결정질 또는 다결정 등의 비 단결정 반도체 박막의 결정화 공정을 포함하고 있다. 이 결정화 기술로서, 예컨대 큰 에너지의 짧은 펄스·레이저 광을 이용하여 비 단결정 반도체 박막의 조사영역을 용융하고, 결 정화하는 레이저 결정화 기술이 알려져 있다.

현재, 생산에 제공되고 있는 레이저 결정화 장치에서는, 기다란 빔(예컨대 500㎛ × 300mm) 형상이고 균일한 강도분포의 레이저 광을 비결정질 실리콘에 조사하는 방법을 채용하고 있다. 그렇지만, 이 방법으로는, 얻어진 반도체 막의 결정입자 직경이 0.5㎛ 이하로 작고, 그 때문에 TFT의 채널 영역에 결정입자 경계(結晶粒界)가 존재하게 되어, TFT의 특성이 억제되는 등 성능에 한계가 있다.

이 TFT의 성능을 향상시키기 위해서, 큰 결정입자를 가지는 고품질의 반도체 막을 제조하는 기술이 요구되고 있다. 이러한 요구를 만족시키는 결정화 방법으로서, 각종 레이저 결정화 기술 중에서, 특히 위상 변조하여 형성한 역 피크 패턴(peak pattern) 형상의 광 강도분포를 가지는 엑시머 레이저 광을 비 단결정 반도체 박막에 조사하여 결정화하는 기술이 주목받고 있다.

상술한 위상 변조를 행하지 않고 균일한 강도분포의 레이저 광을 비결정질 실리콘에 조사하는 방법을 ELA 기술이라고 하는 것에 비해, 위상 변조한 엑시머 레이저 광을 조사하여 행하는 결정화 기술을 PMELA 기술이라고 하고, 소정의 광 강도분포를 갖는 엑시머 레이저 광을 비 단결정 반도체 박막에 조사하여, 이 반도체 막의 조사부를 용융시켜서 결정화를 행한다.

소정의 광 강도분포를 갖는 엑시머 레이저 광은, 위상 변조소자 등의 광 변조소자, 예컨대 위상 시프터 등의 위상 변조소자에 의해 입사 레이저 광을 위상변조시킴으로써 얻어진다. 비 단결정 반도체 박막은, 예컨대 유리 기판 상에 형성된 비결정질 실리콘 혹은 다결정 실리콘의 박막이다.

현재 개발되어 있는 PMELA 기술에서는, 1회의 엑시머 레이저 광의 조사로 사방 수 mm 정도 크기의 영역을 용융, 결정화시킨다. 이 결정화 비 단결정 반도체 박막처리에 의해, 수 ㎛에서 10㎛ 정도의 크기이고 비교적 동일한 결정입자를 가지는 품질이 우수한 결정화 실리콘 박막이 형성되고 있다(예컨대, 비특허문헌 1 참조). 이 방법으로 형성한 결정화 실리콘 박막으로 작성된 TFT는, 우수한 전기특성을 나타내고 있다.

이 PMELA 결정화 기술은, 레이저 광의 사용 효율이 높고, 큰 입자직경의 결정을 얻을 수 있다는 우수한 특징을 가진다. 그렇지만, 안정된 전기특성을 얻기 위해서는 결정입자를 높은 정밀도로 위치결정할 필요가 있다. 또, 큰 면적의 반도체 막을 결정화시키기에는, 소위 스텝 앤드 리피트(step-and-repeat) 조사방식이라 불리는, 비 단결정 반도체 막에 레이저 광을 조사한 후, 다음의 조사위치까지 유리기판을 이동시켜 정지시킨 후 다시 레이저 광을 조사하는 공정을 반복하는 조사방식이 이용되고 있다.

PMELA 결정화 기술에 있어서, 실리콘 박막의 미소영역에 있어서 용융되어 결정화된 상태를 평가하기 위해 관찰할 것이 요구되고 있다. 이 결정화를 광학적으로 관찰하는 기술로서, 관찰용 조명 광학계를 설치하고, 펄스상 에너지 광을 조사한 후에 관찰하는 기술이 제안되어 있다(예컨대 특허문헌 1 참조).

도 8은, PMELA 결정화에 의한 결정화 장치의 일 구성예를 설명하기 위한 도면이다. 도 8에 있어서, 결정화 장치(100)는, 큰 입자직경의 결정화를 행하기 위한 결정화용 광 패턴을 형성하는 결정화용 광학계(101)를 구비한다. 결정화용 광 학계(101)는, 레이저 광원(111)과, 빔 익스팬더(beam expander)(112)와, 호모지나이저(homogenizer)(113)와, 위상 시프터(예컨대 위상 변조소자)(114)와, 결상 광학계(115)와, 기판(130)을 미리 정해져 있는 위치로 안내하는 스테이지(140)를 구비한다. 레이저 광원(111)으로부터의 레이저 광은 빔 익스팬더(112)로 확대되고, 호모지나이저(113)에 의해 면 내의 광 강도가 균일화되어, 위상 시프터(114)에 조사된다. 위상 시프터(114)를 통과한 엑시머 레이저 광은, 소정의 광 강도분포로 변조되어, 결상 광학계(115)에 의해 기판(130) 상에 조사된다.

또, 위상 변조를 행하지 않고 균일한 강포분포의 레이저 광을 비결정질 실리콘에 조사하는 ELA 기술에서는, 결정화용 에너지로서 자외선 영역의 광을 조사하고, 관찰용의 조명용 광으로서 가시광 영역의 광을 조사함으로써 결정화를 광학적으로 관찰하는 기술이 제안되어 있다.

도 8에 있어서, 결정화 프로세스의 피처리 영역을 관찰하는 관찰계(120)는, 관찰용 조명광원(121), 빔 익스팬더(122), 하프 미러(half mirror)(123), 환상 경면계(環狀鏡面系)(124)를 포함하는 관찰용 조명 광학계와, 현미광학 결상계(顯微光學結像系)(125), 광 검출기(126) 및 촬상장치를 포함하는 현미 관찰 광학계를 구비한다(예컨대 특허문헌 2 참조).

또, 균일한 온도분포로 가열함으로써, 결정성장을 촉진하여 비교적 큰 결정입자를 형성하여, 결정 결함을 감소시키고, 반도체 막의 전기적 특성을 향상시키기 위해서, 반도체 막을 결정화시키는 제1 에너지 빔과, 이 제1 에너지 빔보다도 반도체 막의 흡수율이 작고, 반도체 막을 결정화시키는 에너지보다도 작은 에너지의 제 2 에너지 빔을 조사하는 것이 제안되어 있다. 이 제2 에너지 빔은 반도체 막의 하부 및 기판에까지 도달하여, 반도체 막의 두께 방향에 걸쳐서 가열함으로써 기판을 가열하고, 제1 에너지 빔의 조사 전후의 온도차를 감소시킨다. 이 제1 에너지 빔으로서 엑시머 레이저에 의한 레이저 광을 이용하고, 제2 에너지 빔으로서 가시광 영역의 파장성분을 포함하는 것이 나타나 있다(특허문헌 3, 4 참조).

또, 가열된 피처리 기판의 온도분포를 균일하게 유지하기 위해서, 기판의 상층부분에 캡 층을 설치하는 구성도 알려져 있다. 피처리 기판은, 예컨대 베이스 기판 상에 절연막을 통하여 반도체 박막 등의 피처리 막을 형성하고, 이 막 상에 절연막으로 이루어지는 캡 막을 설치한다. 캡 막은, 가열된 피처리 기판의 방열을 저감시켜, 피처리 기판의 온도분포의 균일화를 도모한다.

또, 결정입자를 높은 정밀도로 위치결정하기 위해서는, 광 변조소자의 패턴을 정밀하게 기판 상에 투영할 필요가 있지만, 레이저 광을 높은 빈도로 반복하여 연속 조사하면, 광학계의 분위기 온도가 상승하거나 렌즈계가 열팽창 함으로써, 조사중에 기판 상에 투영되는 광 변조소자 패턴의 투영 배율이 변동된다.

레이저 파장 308nm를 이용한 경우, 분위기 온도가 3℃ 상승하면, 예컨대 1/5 축소 텔레센트릭 렌즈(telecentric lenz)로는, 10mm의 광 변조소자 패턴을 2mm로 축소하여 기판 상에 전사할 때, 1/5.000에서 1/4.994로의 배율 변동에 의해, 투영된 패턴의 주변부에서는 2.4㎛ 정도의 오차가 생기는 것이 시뮬레이션으로 확인된다.

이 투영 배율의 변동은, 레이저 광의 조사에 의해서 형성되는 결정화 영역에 있어서, 후공정에서 트랜지스터가 결정입자 경계를 넘어 형성되면, 스위칭 특성 등의 저하를 가져오는 요인이 된다.

수 ㎛에 달하는 의사(擬似) 단결정을 형성하는 것이 가능한 PMELA(Phase Modulated Excimer Laser Annealing) 결정화 기술에 있어서, 광 변조소자가 그 결정성장에 중요한 역할을 맡고 있으며, 엑시머 레이저에 의해서 피처리 기판 상에 그 광 강도분포가 전사되는 광 변조소자의 형상을 최적화하는 것이 중요한 팩터이다.

[비특허문헌 1] 이노우에 코우키, 나카타 미츠루, 마츠무라 마사키요; 전자정보통신학회 논문지 Vol. J85-C, No.8, pp.624-629, 2002, 「실리콘 박막의 진폭, 위상제어 엑시머 레이저 용융 재결정화 방법 -새로운 2 - D 위치제어 대결정립 형성법」

[특허문헌 1] 일본 특허공개 2006-66462 호 공보

[특허문헌 2] 일본 특허공개 2005-294801 호 공보

[특허문헌 3] 일본 특허공개 2000-68520 호 공보

[특허문헌 4] 일본 특허공개 2002-261015 호 공보

상술한 바와 같이, PMELA(Phase Modulated Excimer Laser Annealing) 결정화 기술에 있어서는 광 변조소자가 그 결정성장에 중요한 역할을 맡고 있고, 엑시머 레이저에 의해서 피처리 기판 상에 그 광 강도분포가 전사되는 광 변조소자의 형상 을 최적화하는 것이 중요한 팩터이다.

그렇지만, 엑시머 레이저가 UV 광이고, 또한 펄스 조사 레이저이기 때문에, 기판 상에 형성되는 광 강도분포가 가시화되는 것이 곤란하다. 그 때문에, 소망하는 결정화 성장을 얻기 위한 광 변조소자를 최적화할 수 없다는 문제가 있다.

PMELA(Phase Modulated Excimer Laser Annealing) 결정화 기술에 있어서, 결정화된 상태를 광학적으로 관찰하는 것은 상술한 특허문헌 1에서 제안되어 있고, 또한 ELA 기술에 있어서, 결정화를 자외선 영역의 엑시머 레이저로 행하고 관찰을 가시광 영역의 광을 이용하는 것도 특허문헌 2에서 제안되어 있지만, 모두 결정화 후의 상태를 관찰하는 것이기 때문에, 이 관찰결과에 근거하여 광 변조소자의 형상을 최적화하기에는, 모니터용의 영역에 관하여 미리 결정화를 행하고, 그 결정화 상태를 관찰한 후에 광 변조소자를 조정할 필요가 있기 때문에, 광 변조소자를 조정함에 있어서 즉시성(卽時性)의 점에서 문제가 있고, 피처리 부분을 결정화할 때 광 변조소자를 조정할 수 없다는 문제가 있다.

또, 균일한 온도분포를 얻기 위하여, 피처리 영역에 조사하는 에너지 빔을, 결정화를 행하기 위한 제1 에너지 빔과, 가열을 행하기 위한 제2 에너지 빔의 2종류로 나누는 것, 그리고 가열을 행하기 위한 제2 에너지 빔으로서 흡수율이 작고, 에너지가 작은 광을 이용하는 것으로(특허문헌 3, 4의 단락 0106, 0115, 0117 등), 피처리 영역에 영향을 주지 않고 가열하는 것이다.

따라서, 종래 제안된 어떠한 것도, 결정화를 행하는 에너지 빔의 광 강도분포를 결정화를 행하는 상태로 관찰, 측정할 수 없다는 문제가 있고, 이 관찰, 측정 에 근거하여 광 변조소자 혹은 금속 개구를 조정하여 광 강도분포를 최적화할 수 없다는 문제가 있다.

본 출원의 발명자는, 피처리 기판 상에 전사 되는 광 강도분포의 패턴을 가시영역의 광을 이용함으로써, 광 강도분포의 가시화를 가능하게 하는 가시화 장치를 제안하고 있다. 이 가시화 장치는, 이 광 강도분포를 가시화함으로써, 광 강도분포를 형성하는 광 변조소자나 금속 개구를 조정하고, 또한 결정화를 행하는 광의 광축을 조사 영역에 위치 맞춤 시킨다.

본 발명은, 피처리 기판에 조사하는 레이저 광으로서 자외선 영역의 레이저 광과 가시광 영역의 레이저 광의 2 종류의 레이저 광을 이용한다. 자외선 영역의 레이저 광은, 피처리 기판을 균일 조사하는 것으로 피처리 기판의 결정화를 행하는 영역을 용융화한다. 한편, 가시광 영역의 레이저 광은, 결정화에 필요한 에너지를 가지는 동시에 패터닝된 광 강도분포를 가지고 있어, 이 광 강도분포를 용융화된 영역에 중첩시킴으로써, 용융화된 영역을 결정 성장시킨다.

가시광 영역의 레이저 광의 비결정질(amorphous) 실리콘 막의 흡수율은 작고, 패터닝한 광 강도분포를 가지는 가시광 영역의 레이저 광을 단지 비결정질 실리콘 막에 조사한 것 만으로는, 그 흡수율이 작기 때문에, 결정화시킬 수 없다. 이것에 대해서, 본 발명자는, 용융화한 비결정질 실리콘 막의 가시광 영역의 레이저 광의 흡수율은 충분히 큰 것에 착안하여, 용융화된 비결정질 실리콘 막에 대해서, 패터닝한 광 강도분포를 가지는 가시광 영역의 레이저 광을 조사함으로써, 결정화와 가시화 양쪽 모두의 달성을 가능하게 하는 것이다.

이 가시광 영역의 레이저 광의 광원은, 엑시머 레이저의 펄스 조사 시간(약 30 nsec)에 상당하는 시간 내에, 피처리 기판의 막을 파괴하여 결정화를 개시하는데 필요한 에너지 밀도(임계 플루언스(fluence))를 인가할 필요가 있다. 이 임계 플루언스로서는, 예를 들면 100 mJ/㎠ 의 에너지 밀도이다.

따라서, 결정화 장치에 있어서, 가시광선을 이용해 결정화하려면, 높은 에너지 밀도의 출력을 얻을 수 있는 가시광원이 요구되며, 이 가시광원을 실현화하는 것으로, 결정화와 가시화의 양쪽 모두를 동시에 가능하게 할 수 있다.

여기서, 본 발명은 상기된 종래의 문제점을 해결하여, 결정화 장치에 있어서, 높은 에너지 밀도의 출력을 얻을 수 있는 가시광원을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 구비한 결정화 장치의 태양은, 피처리 기판 상에 자외선 영역의 레이저 광을 펄스 조사하는 자외선용 조사계와, 피처리 기판 상에 있어서 자외선 영역의 레이저 광의 조사영역과 동일 조사영역에, 가시광의 레이저 광을 연속 조사하는 가시광 조사계를 구비한다. 자외선 영역의 레이저 광의 균일 조사에 의해서 용해화된 영역에, 가시광의 레이저 광의 광 강도분포에 의해서 결정 성장을 형성한다. 본 발명의 결정화 장치는, 자외선 영역의 레이저 광을 펄스 조사하는 것에 의한 용해화와, 가시광의 레이저 광을 연속 조사하는 것에 의한 결정화를 조합하는 것으로, 결정화를 행하는 레이저 광의 가시화를 가능하게 하는 것이다.

자외선용 조사계는, 엑시머 레이저 광원과, 엑시머 레이저 광원으로부터 나 온 엑시머 레이저 광을 기판 상에 균일 조사하는 자외선용 조명 광학계를 구비한다. 자외선용 조사계는, 엑시머 레이저 광을 기판 상에 균일 조사하는 것으로, 기판 상에 용해화 영역을 형성한다.

한편, 가시광 조사계는, 가시광 레이저 광원과, 가시광 레이저 광원으로부터 나온 가시광 레이저 광의 광 강도분포를 패터닝하는 광 강도분포 형성수단과, 광 강도분포 형성수단으로 패터닝한 광 강도분포의 광을 피처리 기판 상의 엑시머 레이저 광의 조사 영역에 결상시키는 결상 광학계를 구비한다.

본 발명의 가시광 조사계는, 2 차원 어레이 배열한 복수의 가시광 레이저 광원에 의해서 형성한다. 가시광 조사계는, 각 가시광 레이저 광원으로부터 나온 복수의 가시광 레이저 광의 광 강도분포를 패터닝하는 광 강도분포 형성수단과, 이 광 강도분포 형성수단으로 패터닝한 광 강도분포의 광을 피처리 기판 상의 조사 영역에 결상시키는 결상 광학계를 구비한다. 피처리 기판과 광축 상의 결상 위치 관계에 해당하는 광 강도분포 형성수단에 대해서, 복수의 고체 레이저 또는 반도체 레이저가 발하는 각 가시 레이저 광을 중첩시킨다.

이 복수의 가시광의 레이저 광원으로부터 나온 복수의 가시광 레이저 광으로 형성한 가시광 레이저 광의 광 강도분포를, 자외선 영역의 엑시머 레이저 광을 균일 조사하여 용해화된 조사 영역에 조사하여, 엑시머 레이저 광과 가시광 레이저 광을 중첩시킨다. 이 엑시머 레이저 광과 가시광 레이저 광과의 중첩에 의해서, 엑시머 레이저 광으로 용해화된 영역을 결정화시킨다. 이 엑시머 레이저 광과 가시광 레이저 광과의 중첩에 있어서, 복수의 가시광의 레이저 광원으로부터 나온 복 수의 가시광 레이저 광을 중첩하고, 이 중첩에 의해 형성되는 가시광 레이저 광의 광 강도분포에 의해서 결정 성장을 형성한다.

본 발명의 결정화 장치는, 복수의 가시광 레이저 광을 중첩함으로써, 전체 빔의 균일성을 향상시킬 수 있고, 또한 조사하는 에너지의 에너지 밀도를 높일 수 있다. 더욱이 엑시머 레이저 광의 조사 에너지와, 가시광 레이저 광을 중첩시키는 것으로, 임계 플루언스를 최소 에너지로 한 광 강도조정을 행할 수 있어, 에너지 구배를 이용한 결정의 횡방향 성장에 이용할 수 있다.

결정화는, 용해화된 상태의 비결정질 실리콘 막의 가시광의 흡수율이 높아지는 것을 이용함으로써, 가시광 레이저 광을 조사하는 영역에서 행할 수 있기 때문에, 결정화를 행하는 영역을 가시화할 수 있다.

또, 가시광 조사계는, 복수의 가시광 레이저 광원과 광 강도분포 형성수단과의 사이에 호모지나이저(homogenizer)를 구비하는 구성으로 할 수 있다. 호모지나이저는, 복수의 가시광 레이저 광원과 일 대 일로 대응하는 복수의 렌즈를 구비하는 구성으로 하여도 좋다.

광 강도분포 형성수단은, 가시광 레이저 광원으로부터 나온 가시광 레이저 광의 위상을 시프트하여 광 강도를 변화시키는 광 변조소자, 혹은 가시광 레이저 광원으로부터 나온 가시광 레이저 광의 일부를 차폐하여 광 강도를 변화시키는 금속 개구로 할 수 있다.

피처리 기판은 비결정질 실리콘 막을 가진다. 엑시머 레이저 광의 비결정질 실리콘 막으로의 흡수율은, 가시광 레이저 광의 비결정질 실리콘 막으로의 흡수율 보다 크기 때문에, 펄스 조사된 엑시머 레이저 광은 비결정질 실리콘 막으로 흡수되어 용융화가 행해진다. 한편, 가시광 레이저 광의 비결정질 실리콘 막으로의 흡수율은, 용융화되기 전의 상태에서는 작기 때문에, 비결정질 실리콘 막의 결정화에는 기여하지 않지만, 용융화된 후의 상태에서는 커지기 때문에, 비결정질 실리콘 막은 패터닝된 광 강도분포에 의해서 결정화된다.

또, 본 발명의 결정화 방법의 태양에서는, 피처리 기판 상의 비결정질 실리콘 막에 자외선 영역의 레이저 광을 균일하게 펄스 조사하여 용융화시키고, 복수의 가시광 레이저 광원으로부터 나온 복수의 가시광 레이저 광의 광 강도분포를 패터닝하여, 이 패터닝한 가시광의 레이저 광을, 용융화된 액상화 실리콘 영역 상에 중첩하여 조사함으로써 결정 성장을 형성한다.

본 발명에 의하면, 높은 에너지 밀도의 출력을 얻을 수 있는 가시광원을 형성할 수 있어 결정화 장치의 광원에 적용할 수 있다.

또, 결정화 장치에 있어서, 피처리 기판 상에 전사되는 광 변조소자 혹은 금속 개구가 만드는 광 강도분포를 가시화할 수 있다.

또, 광 강도분포의 가시화에 근거하여 광 변조소자나 금속 개구를 조정할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 결정화 장치(1)의 구성을 설명하기 위한 개략도이다. 도 1에 있어서, 본 발명의 결정화 장치(1)는, 피처리 기판(30) 상에 자외선 영역의 레이저 광을 펄스 조사하는 자외선용 조사계(10)와, 피처리 기판(30) 상에 있어서 자외선 영역의 레이저 광의 조사영역과 동일 조사영역에, 가시광의 레이저 광을 연속 조사하는 가시광 조사계(20)를 구비한다. 자외선용 조사계(10)는, 자외선 영역의 레이저 광의 균일 조사에 의해서 피처리 기판(30) 상의 조사 영역을 용융화시킨다. 가시광 조사계(20)는, 용융화된 영역에 가시광을 중첩하여 조사함으로써, 가시광의 레이저 광의 광 강도분포에 의해서 결정 성장을 형성한다.

자외선용 조사계(10)는, 엑시머 레이저 광을 펄스 출사(出射)하는 엑시머 레이저 광원(11)과, 레이저 광을 조사하는 UV용 조명 광학계(12)를 구비하며, 가시광 조사계(20)와 공유하는 결상 광학계(24)를 통하여 피처리 기판(30) 상에 엑시머 레이저 광을 조사하여, 피처리 기판(30)에 설치된 박막을 용융한다.

가시광 조사계(20)는, 가시광 레이저 광을 연속 조사하는 가시광 레이저 광원(21)과, 가시광용 조명 광학계(22)와, 가시광용 조명 광학계(22)로 조사된 가시광 레이저 광을 소정의 광 강도분포의 광선으로 변조하는 광 변조소자(23)와, 광 변조소자(23)의 변조 광을 피처리 기판(30) 상에 결상시키는 결상 광학계(24)와, 피처리 기판(30)을 지지하는 동시에 피처리 기판(30) 상의 이차원 위치를 정하는 위치결정 스테이지(도시하지 않음)를 구비한다. 결상 광학계(24)를 통하여 피처리 기판(30)에 조사된 변조 광은, 피처리 기판(30)에 설치된 박막 내에서, 자외선용 조사계(10)에 의해서 용융화된 영역을 결정화한다.

도 2는 엑시머 레이저 광원과 가시광 레이저 광원의 레이저 광의 일례를 설 명하기 위한 도면이다. 도 2(a)는 엑시머 레이저 광의 일례로서, 펄스상 레이저 광이 조사된다. 한편, 도 2(b)는 가시광 레이저 광의 일례로서, 광 강도분포되어 레이저 광은 연속하여 조사된다.

가시광용 조명 광학계(22)는, 가시광 레이저 광원(21)으로부터 사출된 가시광 레이저 광의 빔을 확대하는 빔·익스팬더(beam expander)(도시하지 않음)나, 면 내의 광 강도를 균일화하는 호모지나이저(homogenizer)(도시하지 않음)를 구비하여, 광 변조소자(23)를 조명하는 결정화용 레이저 광을 사출, 조정한다. 또한, 도면에서는, 빔 익스팬더 및 호모지나이저는 도시하지 않았다.

광 변조소자(23)는 위상 시프터를 이용할 수 있어, 결정화용 레이저 광을 위상 변조하여 소망의 광 강도분포, 예를 들면 역 피크 패턴의 광 강도분포를 가지는 광으로 변조한다. 또, 광 변조소자(23)에 의한 광 강도분포의 조정은 광 변조소자 구동기구(25)에 의해서 행할 수 있다.

결상 광학계(24)는, 광 변조소자(23)에 의해 위상 변조된 결정화용 레이저 광을 결정화시키는 비 단결정 반도체 박막에 축소 조사한다. 이 축소 조사는, 예를 들면 광 변조소자(23)를 조명 광학계(22)와 결상 광학계(24)와의 사이에 설치한 프로젝션 방식에 의해서 구성할 수 있다.

가시광 레이저 광원(21)은, 피처리 기판(30)에 설치된 비 단결정 반도체 막, 예를 들면 용융화된 비결정질 혹은 다결정 반도체 막을 결정화하기 위해서 충분한 에너지, 예를 들면 비 단결정 반도체 막 상에서 1 J/㎠ 를 가지는 광을 출력한다.

한편, 엑시머 레이저 광원(11)은, 짧은 펄스, 예를 들면 절반 폭이 약 25 내 지 30 nsec인 펄스·레이저 광을 출력한다. 레이저 광은, 예를 들면 파장 248 nm의 KrF 엑시머 레이저 광, 파장 308 nm의 XeCl 엑시머 레이저 광이 바람직하다. 엑시머 레이저 광원은, 예를 들면 발진 주파수가 예컨대 1 Hz에서 300 Hz 인 펄스 발진형이다.

빔·익스팬더(도시하지 않음)는, 입사된 가시광 레이저 광을 확대하는 것으로, 예를 들면 확대하는 오목 렌즈와 평행광으로 하는 볼록 렌즈에 의해 구성할 수 있다. 또, 호모지나이저(도시하지 않음)는, 입사한 레이저 광의 XY 단면방향 치수를 결정하고, 또한 결정한 형상 내의 광 강도분포를 균일하게 하는 기능을 가진다. 예를 들면, X방향 원통형 렌즈를 Y방향으로 복수개 늘어놓아, Y방향으로 늘어선 복수의 광속을 형성하고, X방향 콘덴서 렌즈로 각 광속을 Y방향으로 중첩하여 재분포시킨다. 마찬가지로, Y방향 원통형 렌즈를 X방향으로 복수 늘어놓아, X방향으로 늘어선 복수의 광속을 형성하고, Y방향 콘덴서 렌즈로 각 광속을 X방향으로 중첩하여 재분포시킨다. 호모지나이저에 의해 가시광 레이저 광은, 소정의 각도 확대를 가져 단면 내의 광강도가 균일화된 조명광으로 조광된다.

위상 시프터는, 광 변조소자(23)의 일례로서, 예를 들면 석영 유리 기판에 단차를 형성한 것이다. 이 단차의 경계에서 레이저 광의 회절과 간섭을 일으키게 하여, 레이저 광 강도에 주기적인 공간 분포를 부여하고, 예를 들면 좌우로 180°의 위상 단차를 형성한다. 좌우로 180°의 위상 단차를 형성한 위상 시프터는, 균일한 강도 분포의 입사광을 역 피크 형상의 광 강도분포로 강도 변조한다.

위상 시프터는, 예를 들면 입사광을 위상 변조하여 역 피크 형상 광 강도분 포를 형성하도록 단차가 형성되어 있어, 가시광 레이저 광의 위상을 변조한다. 그 결과, 반도체 막을 조사하는 레이저 광은, 위상의 시프트부(단차)에 대응하는 부분이 강도 변조된 역 피크 패턴의 광 강도분포로 된다.

광 변조소자(23)의 위상 시프터를 투과한 레이저 광은, 수차 보정된 결상 광학계(24)에 의해 위상 시프터(광 변조소자(23))와 공역(共役)인 위치에 설치된 피처리 기판(30) 상에, 소정의 광 강도분포로 결상된다. 결상 광학계(24)는, 예를 들면 복수 매의 불화칼슘(CaF₂) 렌즈 및 합성 석영 렌즈로 이루어지는 렌즈군에 의해 구성되며, 예를 들면 축소율 : 1/5, N.A. : 0.13, 해상력: 2㎛, 초점깊이 : ±10㎛, 초점거리: 30mm 내지 70mm의 작동거리를 가지는 편측 텔레센트릭 렌즈(telecentric lenz)이다.

또, 광 변조소자(23)를 대신하여 금속 개구를 이용할 수 있으며, 개구부의 가장자리부의 단차에 의해서 광 강도분포를 위상 변조한다.

또, 결정화의 처리를 받는 피처리 기판(30)은, 일반적으로, 예를 들면 유리 기판, 플라스틱 기판 등의 절연 기판, 실리콘 등의 반도체 기판(웨이퍼) 등의 유지기판에 절연막을 통하여 비 단결정 반도체 막(예를 들면, 비결정질 실리콘 막, 다결정 실리콘 막, 스퍼터된 실리콘 막, 실리콘·게르마늄 막, 혹은 탈수소 처리한 비결정질 실리콘 막)을 형성한다.

비 단결정 반도체 막의 막 두께는, 예를 들면 탈수소 처리한 비결정질 실리콘 막의 경우에는 30nm 내지 300nm 이며, 예를 들면 50nm 이다. 절연막은, 비 단 결정 반도체 막을 결정화할 때에, 유지기판으로부터 바람직하지 않은 불순물이 비 단결정 반도체 막으로 확산되는 것을 방지하기 위해서, 혹은 레이저 조사에 의해서 생기는 줄 열을 축적시킬 목적으로 설치된 막이다.

또, 캡 절연막을 설치하는 구성도 알려져 있다. 캡 절연막은, 레이저 광에 대한 캡 절연막의 자외선 투과특성 및 단열특성을 이용하여, 결정화를 위해서 비 단결정 반도체 막이 수광하여 용융되었을 때의 열을 축적하는 기능을 가진다. 캡 절연막의 축열 효과는, 종래 구성의 결정화 장치에 있어서, 비 단결정 반도체 막의 용융 영역에 큰 입자직경(5㎛ 이상)의 결정화를 가능하게 한다. 캡 절연막은, 결정화의 효율을 높이기 위한 것이지만, 본 발명의 결정화 장치는, 용융화와 결정화를 동일 영역에서 행할 수 있기 때문에, 가열상태를 유지하기 위해서 피처리 기판(30)의 비 단결정 반도체 막 상에 설치된 절연막으로 이루어지는 캡 막을 불필요한 것으로 하여도 좋다.

본 발명의 결정화 장치(1)는, 위치결정 스테이지(도시하지 않음)를 구비하여도 좋다. 위치결정 스테이지는, 피처리 기판(30)을 얹어 XY 방향의 2 차원으로 이동 자유롭게 하는 XY 스테이지(도시하지 않음) 외에, XY 스테이지 상의 이차원 위치를 측정하는 위치 측정부(도시하지 않음)를 구비한다. XY 스테이지는, X축 방향으로 이동하는 X축 스테이지와, Y축 방향으로 이동하는 Y축 스테이지와, 이 X축 스테이지 및 Y축 스테이지를 지지하는 지지대(定盤)(도시하지 않음)를 구비한다. XY 스테이지 상에는 피처리 기판(30)이 얹혀지고, XY 스테이지를 이차원으로 이동시킴으로써, 피처리 기판(30)의 위치결정을 행한다.

본 발명의 결정화 장치(1)에 의해서 피처리 기판(30)을 결정화하는 경우에는, 스테이지 구동 제어장치(도시하지 않음)에 의해서 XY 스테이지를 구동하여, 레이저 광을 피처리 기판(30) 상에서 주사하여 결정화를 실시한다.

도 3은, 본 발명의 결정화 장치에 이용하는 가시광 레이저 광원과, 가시광용 조명 광학계의 구성을 설명하기 위한 단면도를 나타내고, 도 5는 사시도를 나타내고 있다.

본 발명의 가시광 레이저 광원(21)은 2차원 어레이 형상 광원(21a)에 의해 구성되고, 복수의 고체 레이저 광원이나 반도체 레이저 광원 등의 광원 유닛(21b)을 2차원 어레이 형상으로 배열하여 형성된다. 또, 2차원 어레이 형상 광원(21a)과 광 변조소자(23) 사이의 광로 상에는 가시광용 조명 광학계(22)가 설치된다. 이 가시광용 조명 광학계(22)는, 피처리 기판(30)과 광축 상의 결상 위치 관계에 해당하는 광 변조소자(23)에 대해서, 2차원 어레이 형상 광원(21a)의 각 광원 유닛(21b)이 발하는 각 가시 레이저 광을 중첩시킨다.

도 4는 2차원 어레이 형상 광원(21a)의 일 구성예를 나타내고 있다. 여기에서는, 종방향 및 횡방향으로 5개의 광원 유닛(21b)을 어레이 배열시키는 것으로, 2차원 어레이 형상 광원(21a)을 형성하는 예를 나타내고 있다. 또한, 배열하는 광원 유닛의 개수는 5개에 한정되지 않으며 임의로 정할 수 있다.

또, 가시광용 조명 광학계(22)는 호모지나이저(22a)를 구비하여, 균일 조명 광학계를 형성한다. 호모지나이저(22a)는, 원통형 렌즈나 플라이 아이 렌즈(fly's eye rens)를 이용할 수 있다. 도 5에 있어서, 광원 유닛(21b)으로부터 나온 가시 광의 연속 레이저 광은, 호모지나이저(22a)를 통하여, 광 변조소자(23) 상에 있어서 피처리 기판(30)과 광축 상의 결상 위치 관계에 해당하는 위치에 조사된다. 광 변조소자(23)에는, 각 광원 유닛(21b)으로부터 발생된 복수의 레이저 광이 중첩된다. 이 복수의 광원 유닛(21b)으로부터의 레이저 광을 중첩시킴으로써, 에너지 밀도를 높일 수 있는 것 이외에도, 광원 유닛(21b)의 불균일함에 의한 변동을 저감시킬 수 있다.

가시광원의 광원 유닛(21b)으로서, 예를 들면 파장 532nm, 출력 15W의 YAG 레이저를 이용하고, 이 광원 유닛(21b)을 5×5의 어레이 형상으로 배열한 구성에 있어서, 광학계 전체의 전달율을 40%로 하였을 때의 에너지 밀도를 계산하면 이하와 같다. 기판에 투입되는 에너지는, 엑시머 레이저 광의 조사시간(30 nsec)으로 환산하면, 25(개)×15(w)×30E-9×0.4(J) = 4500(nJ) 이 된다. 이 레이저 광을 기판 상의 2mm × 2mm 의 영역에 조사하면, 에너지 밀도(플루언스)는 4.5 / 0.04 ≒ 112(mJ/㎠) 이 된다.

여기서, 결정화를 개시할 때에 막을 파괴하기 위하여 필요한 플루언스(임계 플루언스)를 엑시머 레이저로 200 mJ/㎠ 이라고 가정한다. 또한, 이 임계 플루언스는, 피처리 기판의 막 구성에도 존재한다.

이것에 의해서, 본 발명의 결정화 장치에서는, 엑시머 레이저의 조사 에너지에 가시광의 조사 에너지를 중첩시킴으로써 엑시머 레이저에 의한 200 mJ/㎠ 의 임계 플루언스를 최소 에너지 밀도로 하고, 가시광 레이저 광의 조사에 의한 에너지 밀도를 조정분으로 함으로써 200 mJ/㎠ ~ 312 mJ/㎠ 의 범위에서 광 강도변조를 행 할 수 있다.

또, 이 광 강도변조를 기판의 이동방향을 따라서 행함으로써 에너지 구배를 형성할 수 있다. 이 에너지 구배는 결정의 횡방향 성장에 적용이 가능하다.

도 6, 도 7은, 엑시머 레이저 광과 가시광 레이저 광의 중첩에 의한 용융화와 결정화를 설명하기 위한 도면이다.

피처리 기판(30)은, 베이스 기판(31) 상에 절연막(32)과 피처리막(33)으로서 비결정질 실리콘 막이 설치된다. 피처리 기판(30) 상에는, 엑시머 레이저 광(10a)과 가시광 레이저 광(20a)이 중첩되어 조사된다. 엑시머 레이저 광(10a)은 펄스 조사된다. 엑시머 레이저는, 그 단파장에 의해서 비결정질 실리콘 막으로의 흡수율이 높고, 피처리 기판(30)으로의 진입 깊이는 얕아, 비결정질 실리콘 막을 용융화시킨다.

한편, 연속 조사되는 가시광 레이저 광(20a)은 비결정질 실리콘 막에서의 흡수율이 작기 때문에, 피처리 기판(30)으로의 진입 깊이가 깊어, 비결정질 실리콘 막보다 아래쪽의 층까지 도달하고, 피처리 기판(30)에 투입된 에너지는 분산된다.

엑시머 레이저 광(10a)과 가시광 레이저 광(20a)을 중첩하여 조사하면, 비결정질 실리콘 막이 용융화되기 전의 상태에서는, 가시광 레이저 광(20a)은 그 흡수율이 작기 때문에 비결정질 실리콘 막의 층을 통과하여 결정화는 행해지지 않는다. 그에 비해, 비결정질 실리콘 막이 용융화된 상태에서는, 가시광 레이저 광(20a)은 그 흡수율이 커지기 때문에 비결정질 실리콘 막의 층에서 흡수되어, 비결정질 실리콘 막의 결정화가 행해진다.

도 6(a)는 엑시머 레이저 광(10a)과 가시광 레이저 광(20a)을 중첩하여 조사한 상태를 나타내고, 도 6(b)는 엑시머 레이저 광(10a)의 조사 상태를 나타내고, 도 6(c)는 가시광 레이저 광(20a)의 조사 상태를 나타내고 있다. 도 6(b)에 있어서, 비결정질 실리콘 막(33)의 영역(13)은 엑시머 레이저 광(10a)의 조사에 의해서 용융화된다. 도 6(c)에 있어서, 용융화된 영역(13)에 가시광 레이저 광(20a)이 조사됨으로써 결정화된다.

도 7은, 엑시머 레이저 광(10a)과 가시광 레이저 광(20a)의 중첩 조사위치를 이동시키는 것으로, 피처리 기판(30) 상의 결정화를 진행시키는 상태를 나타내고 있다. 도 7(a)는 레이저 광의 조사 전의 상태를 나타내고, 도 7(b)는 엑시머 레이저 광(10a)과 가시광 레이저 광(20a)의 중첩 조사에 의해서 조사위치를 결정화시키고, 도 7(c)는 피처리 기판(30) 상을 이동시킴으로써 다음 조사위치에 엑시머 레이저 광(10a)과 가시광 레이저 광(20a)을 중첩 조사하여 결정화를 행한다.

본 발명의 태양에 의하면, 저렴한 가시광원을 복수 이용하여 2차원 어레이 광원을 구성함으로써, 단일 광원 만에 의한 광량 부족을 해결할 수 있다.

종래의 엑시머 레이저 광에 의한 결정화에서는, 예를 들어 30 nm의 단시간으로 강한 펄스 광을 조사하기 때문에, 열을 가두어 놓기 위해 캡 층이 필요하지만, 본 발명의 결정화 장치의 태양에 의하면, 엑시머 레이저 광으로 용융화된 영역을 가시광 레이저 광으로 결정화하기 때문에, 캡 막 등의 초기막을 기판 상에 형성하는 공정을 생략할 수 있다.

또, 본 발명의 결정화 장치에 의하면, 가시광에 의한 광 변조소자를 이용함 으로써, 광 강도분포의 가시화 및 광 변조소자의 가공이 용이하게 된다.

또, 본 발명의 결정화 장치에 의하면, 광학계의 광축 조정을 가시광 레이저 광의 연속 발진 하에서 행할 수 있기 때문에, 장치의 보수관리가 용이하게 된다.

도 1은 본 발명의 결정화 장치(1)의 구성을 설명하기 위한 개략도이다.

도 2는 엑시머 레이저 광원과 가시광 레이저 광원의 레이저 광의 일례를 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 본 발명의 결정화 장치에 이용되는 가시광 레이저 광원과 가시광용 조명 광학계의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.

도 4는 본 발명의 2차원 어레이 형상 광원의 일 구성예를 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명의 결정화 장치에 이용되는 가시광 레이저 광원과 가시광용 조명 광학계의 구성을 설명하기 위한 사시도이다.

도 6은 엑시머 레이저 광과 가시광 레이저 광의 중첩에 의한 용융화와 결정화를 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 엑시머 레이저 광과 가시광 레이저 광의 중첩에 의한 용융화와 결정화를 설명하기 위한 도면이다.

도 8은 PMELA 결정화에 의한 결정화 장치의 일 구성예를 설명하기 위한 도면이다.

(부호의 설명)

1…결정화 장치, 11…엑시머 레이저 광원, 12…UV용 조명 광학계, 13…용융 영역, 21…가시광 레이저 광원, 21a…2차원 어레이 형상 광원, 21b…광원 유닛, 22…가시광 조명용 광학계, 22a…호모지나이저, 23…광 변조소자, 24…결상 광학계, 30…피처리 기판, 31…베이스 기판, 32…절연막, 33…피처리 막, 34…결정화 영역, 100…결정화 장치, 101…결정화용 광학계, 111…레이저 광원, 112…빔 익스팬더, 113…호모지나이저, 114…위상 시프터, 115…결상 광학계, 120…관찰계, 130…기판, 140…스테이지.

Claims (5)

1. 피처리 기판 상에 자외선 영역의 레이저 광을 펄스 조사하는 자외선용 조사계와,

   피처리 기판 상에 있어서 상기 자외선 영역의 레이저 광의 조사 영역과 동일 조사 영역에, 가시광의 레이저 광을 연속 조사하는 가시광 조사계를 구비하고,

   상기 가시광 조사계는, 2차원 어레이 배열한 복수의 가시광 레이저 광원을 가지며,

   상기 자외선 영역의 레이저 광의 균일 조사에 의해서 용해화된 영역에, 상기 복수의 가시광의 레이저 광원으로부터 나온 복수의 가시광 레이저 광을 중첩하여 형성되는 가시광 레이저 광의 광 강도분포에 의해서 결정 성장을 형성하는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 자외선용 조사계는, 엑시머 레이저 광원과, 상기 엑시머 레이저 광원으로부터 나온 엑시머 레이저 광을 기판 상에 균일 조사하는 자외선용 조명 광학계를 구비하고,

   상기 가시광 레이저 광원은, 고체 레이저 또는 반도체 레이저이며,

   상기 가시광 조사계는, 상기 각 가시광 레이저 광원으로부터 나온 복수의 가시광 레이저 광의 광 강도분포를 패터닝하는 광 강도분포 형성수단과, 상기 광 강 도분포 형성수단으로 패터닝한 광 강도분포의 광을 피처리 기판 상의 상기 조사 영역에 결상시키는 결상 광학계를 구비하고,

   상기 피처리 기판과 광축 상의 결상 위치 관계에 해당하는 광 강도분포 형성수단에 대해서, 상기 복수의 고체 레이저 또는 반도체 레이저가 발하는 각 가시 레이저 광을 중첩시키는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 가시광 조사계는, 복수의 가시광 레이저 광원과 광 강도분포 형성수단과의 사이에 호모지나이저를 구비한 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 호모지나이저는, 복수의 가시광 레이저 광원과 일 대 일로 대응하는 복수의 렌즈를 구비한 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
5. 피처리 기판 상의 비결정질(amorphous) 실리콘 막에 자외선 영역의 레이저 광을 균일하게 펄스 조사하여 용융화시키고,

   복수의 가시광 레이저 광원으로부터 나온 복수의 가시광 레이저 광을 광 강도분포 형성수단에 중첩시키고,

   상기 광 강도분포 형성수단에 의해서 중첩된 가시광 레이저 광의 광 강도분포를 패터닝하고,

   상기 패터닝한 가시광의 레이저 광을, 상기 용융화시킨 액상화 실리콘 영역 상에 중첩하여 조사함으로써 결정 성장을 형성하는 것을 특징으로 하는 결정화 방법.

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