KR20110094022A - 박막 결정화를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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제임스 에스 임
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더 트러스티이스 오브 콜롬비아 유니버시티 인 더 시티 오브 뉴욕
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Abstract

본 발명은 기판 표면 위를 연속적으로 전진하는 길고 좁은 빔 형상의 펄스형 조사를 이용하는 박막 결정화를 위한 시스템과 방법을 기재한다. 상기 방법은 결정화된 영역의 품질과 성능의 변동이 감소된 결정화된 막을 제공한다. 하나의 양태에서, 상기 방법은 조사 영역(irradiated region)의 제 1 집합을 형성하기 위해, 복수의 선형 빔(line beam) 레이저 펄스를 이용한 막의 x-방향으로의 제 1 스캔에서, x-축과 y-축을 갖는 막을 연속으로 조사(irradiating)하는 단계와, 막의 y-방향으로 상기 막을 특정 거리만큼 병진 운동시키는 단계(상기 특정 거리는 선형 빔의 길이보다 짧음)와, 조사 영역의 제 2 집합을 형성하기 위해, 선형 빔 레이저 펄스의 시퀀스를 이용한 막의 음의 x-방향으로의 제 2 스캔에서, 막을 연속으로 조사하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 집합의 각각의 조사 영역은 제 1 집합의 조사 영역의 일부분과 중첩되며, 제 1 집합 및 제 2 집합의 각각의 조사 영역은, 냉각 후, 하나 이상의 결정화된 영역을 형성한다.

Description

박막 결정화를 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR THE CRYSTALLIZATION OF THIN FILMS}
관련 출원
본 출원은 35 U.S.C.§119(e)에 따라 2008년11월14일자로 출원된 미국 특허 출원 제61/111,518호 “Systems and Methods for the Crystallization of Thin Films"를 기초로 우선권 주장하며, 상기 미국 특허 출원은 본원에서 참조로서 포함된다.
본 출원은 동시계속출원인 2005년12월02일자 미국 특허 출원 제11/293655호, 2008년02월14일자 제12/063810호 및 2008년09월25일자 국제 특허 출원 PCT/US08/77704호와 관련이 있으며, 이들 출원은 모두 본원에서 참조로서 포함된다.
기술 분야
본원의 주제는 박막의 결정화에 관한 것이며, 구체적으로는 선형 빔 펄스형 레이저 조사(line beam pulsed laser irradiation)를 이용하여 박막을 결정화하는 것에 관한 것이다.
근래 들어, 비정질 또는 다결정질 반도체 막을 결정화하거나, 막의 결정도를 개선하기 위한 다양한 기법이 연구되었다. 이러한 결정화된 박막은 다양한 소자, 가령, 이미지 센서 및 능동-매트릭스 액정 디스플레이("AMLCD": active-matrix liquid-crystal display) 소자의 제조 시 사용될 수 있다. AMLCD에서, 박막 트랜지스터("TFT": thin-film transistor)의 정규 어레이가 적정 투명 기판 상에 조립되고, 각각의 트랜지스터가 픽셀 제어기로서 기능을 한다.
반도체 막의 결정도를 개선하기 위한 종래 기술 방법은 일반적으로, 성형된 레이저 빔(shaped laser beam)으로 박막을 조사(irradiating)하는 것을 포함한다. 상기 성형된 레이저 빔은 길고, 균일한 폭을 가지며, 탑-햇(top-hat) 단축 프로파일을 갖고, 빔의 길이 방향을 따라 균일한 에너지를 갖는 선형 빔(line beam)인 것이 최적이다. 그러나 이러한 빔을 생성하는 것은 어려우며, 대부분의 선형 빔들은 빔의 길이 방향을 따라 불균일성 부분을 가지면서, 빔의 단면은 더 둥근 형태이거나, 일부 경우, 가우시안(Gaussian) 형태일 것이다. 불균일성 부분은 랜덤 성분과 주기적 성분(이하에서, 각각, “랜덤 불균일성 부분(random non-uniformity)”과 “주기적 불균일성 부분(periodic non-uniformity)”이라고 지칭함)을 가질 수 있다. 레이저 빔의 이들 불균일성 부분은 막의 불균일성 부분으로 해석될 수 있으며, 막의 불균일성 부분은 막을 구현하는 소자의 불균일성 부분을 초래하는데, 예를 들어, AMLCD 적용예에서 디스플레이의 불균일한 휘도를 초래한다.
본 출원은 기판 표면 위를 연속적으로 전진하는 길고 좁은 빔 형상의 펄스형 조사를 이용하는 박막 결정화를 위한 시스템과 방법을 기재한다. 상기 방법은 결정화된 영역의 품질과 성능의 변동이 감소된 결정화된 막을 제공한다.
하나의 양태에서, 본 출원은 막을 처리하는 방법을 기재한다. 상기 방법은 조사 영역(irradiated region)의 제 1 집합을 형성하기 위해, 복수의 선형 빔(line beam) 레이저 펄스를 이용한 막의 x-방향으로의 제 1 스캔에서, x-축과 y-축을 갖는 막을 연속으로 조사(irradiating)하는 단계와, 막의 y-방향으로 상기 막을 특정 거리만큼 병진 운동시키는 단계(상기 특정 거리는 선형 빔의 길이보다 짧음)와, 조사 영역의 제 2 집합을 형성하기 위해, 선형 빔 레이저 펄스의 시퀀스를 이용한 막의 음의 x-방향으로의 제 2 스캔에서, 막을 연속으로 조사하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 집합의 각각의 조사 영역은 제 1 집합의 조사 영역의 일부분과 중첩되며, 제 1 집합 및 제 2 집합의 각각의 조사 영역은, 냉각 후, 하나 이상의 결정화된 영역을 형성한다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 각각의 선형 빔 레이저 펄스는, 조사 영역의 제 1 집합 및 제 2 집합에서 막을 막의 전체 두께에 걸쳐 융해하기에 충분한 플루언스(fluence)를 가지며, 제 1 집합의 각각의 조사 영역은 서로 이격되어 있다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 제 1 집합의 각각의 조사 영역은, 냉각 후, 하나 이상의 측방 성장되는 결정을 형성하며, 제 2 집합의 각각의 조사 영역은, 냉각 후, 제 1 집합의 조사 영역의 하나 이상의 측방 성장된 결정에 관련하여 뻗어 있는 하나 이상의 측방 성장된 결정을 형성한다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 사용되는 레이저 결정화 방법은 순차적 측면 고상화(sequential lateral solidification)이다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 제 1 집합의 각각의 조사 영역은 서로 중첩된다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 제 1 스캔에서의 레이저 빔 펄스의 개수는 막의 결정화를 완료하기 위해 필요한 개수보다 작다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 제 2 스캔에서의 레이저 빔 펄스의 개수는 막의 결정화를 완료하기 위해 필요한 개수보다 작다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 사용되는 레이저 결정화 방법은 엑시머 레이저 어닐링(excimer laser annealing)이다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 결정화 방법은 단위 면적당 약 10 내지 약 100개의 펄스를 이용하거나, 약 10 내지 약 40개의 펄스를 이용한다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 각각의 스캔에서 조사 영역들 간 중첩되는 부분은 80% 이하이거나, 90% 이하이다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 상기 방법은 적어도 2회의 연속 스캔을 포함하거나, 2-8회의 연속 스캔을 포함한다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, y-방향 병진 운동 거리는 약 10㎛ 내지 약 10㎜이거나, 약 100㎛ 내지 약 2㎜이다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 상기 방법은 스캔과 스캔 사이에서, 막을 약 180도 회전시키는 단계를 더 포함한다.
또 하나의 양태에서, 본 출원은 막을 처리하기 위한 시스템에 관한 것이며, 상기 시스템은, 막의 펄스형 레이저 결정화를 위해 복수의 레이저 빔 펄스를 발생하기 위한 하나 이상의 레이저(이때, 각각의 레이저 펄스는 길이와 폭을 갖는 선형 빔(line beam)을 형성함)와, x-축과 y-축을 가지며 자신 위에 배치되는 막의 위치를 조정하고, 둘 이상의 방향으로 이동 가능한 막 지지대와, 레이저 빔 펄스의 주파수와 함께 상기 막 지지대의 이동을 제어하는 과정에 대해 인스트럭션을 제공하는 제어기를 포함하며, 상기 막 지지대의 이동을 제어하는 과정은, 조사 영역(irradiated region)의 제 1 집합을 형성하기 위해, 복수의 선형 빔(line beam) 레이저 펄스를 이용한 막의 x-방향으로의 제 1 스캔에서, 막을 연속으로 조사(irradiating)하는 과정과, 막의 y-방향으로 상기 막을 특정 거리만큼 병진 운동시키는 과정(이때, 상기 특정 거리는 선형 빔의 길이보다 짧음)과, 조사 영역의 제 2 집합을 형성하기 위해, 선형 빔 레이저 펄스의 시퀀스를 이용한 막의 음의 x-방향으로의 제 2 스캔에서, 막을 연속으로 조사하는 과정을 포함하며, 상기 제 2 집합의 각각의 조사 영역은 제 1 집합의 조사 영역의 일부분과 중첩되며, 제 1 집합 및 제 2 집합의 각각의 조사 영역은, 냉각 후, 하나 이상의 결정화된 영역을 형성한다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 각각의 선형 빔 레이저 펄스는, 조사 영역의 제 1 집합 및 제 2 집합에서 막을 막의 전체 두께에 걸쳐 융해하기에 충분한 플루언스(fluence)를 가지며, 제 1 집합의 각각의 조사 영역은 서로 이격되어 있다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 제 1 집합의 각각의 조사 영역은, 냉각 후, 하나 이상의 측방 성장되는 결정을 형성하며, 제 2 집합의 각각의 조사 영역은, 냉각 후, 제 1 집합의 조사 영역의 하나 이상의 측방 성장된 결정에 관련하여 뻗어 있는 하나 이상의 측방 성장된 결정을 형성한다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 사용되는 레이저 결정화 방법은 순차적 측면 고상화(sequential lateral solidification)이다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 제 1 집합의 각각의 조사 영역은 서로 중첩된다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 제 1 스캔에서의 레이저 빔 펄스의 개수는 막의 결정화를 완료하기 위해 필요한 개수보다 작다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 제 2 스캔에서의 레이저 빔 펄스의 개수는 막의 결정화를 완료하기 위해 필요한 개수보다 작다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 사용되는 레이저 결정화 방법은 엑시머 레이저 어닐링(excimer laser annealing)이다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 결정화 방법은 단위 면적당 약 10 내지 약 100개의 펄스를 이용한다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 결정화 방법은 단위 면적당 약 10 내지 약 40개의 펄스를 이용한다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 각각의 스캔에서 조사 영역들 간 중첩되는 부분은 80% 이하이다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 각각의 스캔에서 조사 영역들 간 중첩되는 부분은 90% 이하이다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 상기 방법은 적어도 2회의 연속 스캔을 포함한다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 상기 방법은 2-8회의 연속 스캔을 포함한다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, y-방향 병진 운동 거리는 약 100㎛ 내지 약 10㎜이다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, y-방향 병진 운동 거리는 약 100㎛ 내지 약 2㎜이다.
상기 실시예들 중 어느 하나에서, 상기 막은 스캔과 스캔 사이에서, 약 180도 회전된다.
또 하나의 양태에서, 본원은 본원의 방법에 의해 처리되는 막을 포함하는 제품에 관한 것이다. 상기 실시예들 중 어느 하나에서, 상기 제품은 액정 디스플레이 스크린이다.
본원의 주제가 다음의 도면을 참조하여 설명된다. 상기 도면들은 단지 설명을 위한 목적으로 제공되며, 본 발명을 제한하기 위해 의도된 것이 아니다.
도 1A는 엑시머 레이저 어닐링에 의해 형성되는 결정질 미세구조체를 갖는 막 내에 형성된 TFT를 도시한다.
도 1B-1D는 순차적 측면 결정화에 의해 형성되는 결정질 미세구조체를 갖는 막 내에서 형성된 TFT를 도시한다.
도 2A-2D는 특정 실시예에 따라 균일한 결정을 생산하기 위한 선형 빔 순차적 측면 고상화 공정을 도시한다.
도 3은 자신의 길이 방향에 따라 폭이 변하는 선형 빔 펄스를 개략적으로 도시한다.
도 4-6은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라, 결정화 품질의 주기적 변동이 해결되는 선형 스캔 SLS 공정의 하나 이상의 실시예에 따르는 공정을 개략적으로 도시한다.
도 7A-7B는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라, 결정화 품질의 주기적 변동이 해결되는 ELA 공정의 하나 이상의 실시예에 따르는 공정을 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르는 박막 결정화의 방법을 수행하기 위한 시스템을 개략적으로 도시한다.
본 발명의 하나의 양태에서, 막의 실질적으로 동일한 영역을 레이저 빔으로 복수 번 스캔하는 것을 이용함으로써 선형 빔 조사에 의해 더 균일한 속성을 갖는 박막이 얻어진다. 선형 빔 조사는, 막의 결정화를 유도하기 위해 선형 빔을 이용하여 막의 표면을 조사하는 것을 일컫는다. 이러한 방법은 임의의 펄스형 레이저 선형 빔 결정화 방법을 이용하여 실시될 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은 엑시머 레이저 어닐링("ELA": excimer laser annealing), 또는 순차적 측면 고상화("SLS": sequential lateral solidification) 결정화 방법을 이용할 수 있다. 덧붙이자면, 다음의 기재로부터, 상기 방법은 실리콘 박막 결정화에만 국한되는 것이 아니며, 융해되면 재-결정화되는 어떠한 박막에 대해서도 실시될 수 있음이 자명할 것이다. 다음의 설명에서, 특별하게 명시되지 않는다면, 상기 방법은 이러한 어떠한 물질에 대해서도 사용될 수 있다.
상기 방법은 불연속 막(discontinuous film), 예를 들어, 리소그래피 기법에 의해 패터닝된 막, 또는 가령, 잉크-젯 인쇄 기법 또는 섀도 마스크 인쇄를 통해 선택된 영역에만 증착된 막에 대해서도 사용될 수 있다.
본원의 하나의 양태에 따르면, 다중-스캔(multi-scan) 결정화 공정의 각각의 과정에서, 막의 일부분씩만 조사되거나, 단위 면적 당 조사 펄스의 개수가 결정화 공정을 완료하기 위해 필요한 조사 횟수의 특정 비율 또는 퍼센트이다. 각각의 스캔 사이에, 막은 스캔 방향에 수직인 방향으로 짧은 거리를 이동한다(가령, “횡방향 이동(transverse shift)”). 횡방향 이동은 '측방' 병진 운동, 즉, 스캔 방향에 수직인 방향으로의 패널의 병진 운동을 의미할 수 있다. 따라서 스캔 방향이 임의로 x-방향 스캔이라고 지정된 경우, 스캔과 스캔 사이에서, 막(또는 레이저 빔)은 y-방향으로 짧은 거리를 이동한다. 병진 운동 거리는 짧을 수 있으며, 일반적으로, 선형 빔의 길이 방향을 따라 발생하는 임의의 주기적 불균일성 부분 수준이다. 병진 운동 거리는 100미크론 또는 심지어 10미크론만큼 작을 수 있지만, 수 밀리미터 이상만큼 클 수도 있다.
각각의 스캔 사이에서, 빔이 샘플에 대해 측방으로 병진 운동할 때, 이로 인해서, 결정화된 물질에서, 이전 스캔에서의 레이저 선형 빔에 대한 이동한 레이저 선형 빔의 품질의 변동으로 인해, (주기적인) 불균일성 부분이 초래될 것이다. 따라서 하나의 “줄무늬(stripe)”, 또는 모든 물질이 동일한 피크 강도(peak intensity)로 결정화된 하나의 결정화 영역이 존재하지 않을 것이며, 오히려, 물질의 단 일부분만 이러한 피크를 겪을 복수의 줄무늬가 존재할 것이다. 이들 영역 내에 위치하는 소자들의 크기가 최소한 둘 이상의 결정화 영역에 걸쳐 있는 경우, 이러한 소자들은 줄무늬 속성의 차이에 의해 덜 영향을 받을 것이다.
액정 디스플레이용 픽셀을 제공하기 위해, ELA 및 SLS 공정을 포함하여 다양한 레이저 공정을 이용해 결정질 반도체 막, 가령, 실리콘 막이 처리되어 왔다. SLS는 AMLCD 소자뿐 아니라 능동-매트릭스 유기 발광 다이오드(“AMOLED": active-matrix organic light emitting diode) 소자에서도 사용되기 위한 박막을 처리하기에 적합하다.
ELA에서, 엑시머 레이저를 이용하여 막의 하나의 영역이 조사되어, 상기 막이 부분적으로 융해되고, 그 후, 결정화된다. 통상적으로 ELA는 길고, 비교적 좁은 빔 형상을 이용하며, 상기 빔은 기판 표면 위에서 연속적으로 전진하여, 표면을 가로지르는 한 번의 스캔으로 빔이 전체 반도체 박막을 조사할 수 있는 것이 가능하다. ELA는 작은 결정립도의 다결정질 막을 생산하지만, 이 방법은, 펄스 간 에너지 변동 및/또는 불균일한 빔 강도 프로파일에 의해 초래될 수 있는 미세구조적 불균일성 부분을 단점으로 가진다. 도 1A는 ELA를 이용하여 얻어질 수 있는 랜덤 미세구조체를 도시한다. Si 막이 복수 번 조사되어, 균일한 결정립 크기를 갖는 랜덤 다결정질 막이 생성된다. 도 1A와 뒤 이어 나오는 모든 도면들은 비율대로 그려진 것이 아니며, 자연스럽게 도시된 것이다.
SLS는 기판(가령, 열에 약한 유리와 플라스틱 같은 기판) 상에 크고 균일한 결정립들을 갖는 고품질 다결정질 막을 생산할 수 있는 펄스형 레이저 결정화 공정이다. 예시적 SLS 공정 및 시스템은 동시계속 출원인 미국 특허 제6,322,625호, 제6,368,945호, 제6,555,449호 및 제6,573,531호에 기재되어 있으며, 이들 미국 특허의 전체 내용이 본원에서 참조로서 포함된다. 도 1B-1D는 SLS에 의해 형성된 결정질 미세구조체를 갖는 막 내에 형성된 TFT를 도시한다.
SLS는 제어된 레이저 펄스를 이용하여, 기판 상의 비정질 또는 다결정질 박막의 하나의 영역을 융해한다. 그 후, 상기 막의 융해된 영역이 측방으로 결정화되어, 방향성 고상화된 측방 컬럼형 미세구조체 또는 복수의 위치 제어형 대형 단일 결정 영역이 된다. 일반적으로, 복수의 레이저 펄스를 이용하여, 넓은 박막의 표면에 걸쳐 융해/결정화 공정이 순차적으로 반복된다. 그 후, 기판 상의 처리된 막이, 하나의 넓은 디스플레이를 생성하거나, 분할되어 복수의 디스플레이를 생성하도록 사용된다. 도 1B-1D는 SLS를 이용하여 얻어질 수 있는 여러 다른 미세구조체를 갖는 막 내에 제조된 TFT를 개략적으로 도시한다. 상기 SLS 공정은, 기판 표면 위에서 연속적으로 진전하는 길고 좁은 빔을 이용할 수 있으며, 이 경우, 이러한 공정은 선형 스캔 SLS("LS-SLS": line scan SLS)라고 알려져 있다.
그러나 종래의 ELA와 SLS 기법은, 하나의 샷과 다음번 샷 간의 레이저 펄스 변동으로 인해 제한될 수 있다. 막의 하나의 영역을 융해하기 위해 사용되는 각각의 레이저 펄스는, 막의 다른 영역을 융해하기 위해 사용되는 그 밖의 다른 레이저 펄스와는 다른 에너지 플루언스(energy fluence)를 갖는 것이 일반적이다. 예를 들어, 박막의 이웃하는 영역들의 순차적인 조사 동안, 제 1 영역은 제 1 에너지 플루언스를 갖는 제 1 레이저 펄스로 조사되며, 제 2 영역은 상기 제 1 레이저 펄스의 플루언스와 적어도 약간은 다른 제 2 플루언스를 갖는 제 2 레이저 펄스로 조사되며, 제 3 영역은 상기 제 1 레이저 펄스 및 제 2 레이저 펄스의 플루언스와 적어도 약간은 다른 제 3 플루언스를 갖는 제 3 레이저 펄스로 조사되는 식이다. 반도체 막의 조사되고 결정화되는 제 1, 제 2 및 제 3 영역이 겪는 최종 에너지 밀도는, 이웃하는 영역을 조사하는 순차적인 빔 펄스의 변하는 플루언스로 인해, 완전히, 적어도 어느 범위까지는, 서로 다르다.
레이저 빔을, 균일한 폭을 가지며(바람직하게는, 탑-햇(top-hat) 단축 단면 프로파일을 가지며), 빔의 길이 방향을 따라 균일한 에너지를 갖는 매우 긴 선형의 빔으로 성형하는 것은 어려운 과제이다. 장축 내 불균일성 부분이 더 두드러질 수 있으며, 따라서 더 해로울 수 있다. 덧붙이자면, 장축을 따르는 불균일성 부분은 육안으로 분명하게 볼 수 있는 규모(가령, 1㎝ 또는 수㎜에 걸친 10% 휘도 변경)일 수 있다. 눈은 랜덤 픽셀 간 변동과, 매우 큰 크기(수십 ㎝)의 점진적 픽셀 간 변동은 합리적으로 허용하지만, 디스플레이의 영역들 간 갑작스러운 변화, 또는 작은 규모(수 밀리미터에서 수 센티미터)의 점진적 변동에도 잘 견딜 수 있는 것은 아니다.
선형 빔이 종종, 빔의 길이 방향을 따르는 에너지와 폭에서 불균일성 부분을 가질 것이지만, 종종 단면은 더 둥글거나, 심지어 가우시안(Gaussian)형일 것이다. 빔의 길이 방향을 따르는 불균일성 부분은 랜덤 성분을 가질 수 있으며, 또한 주기적 성분도 가질 수 있을 것이다. 이들은 광학 요소(가령 균질화(homogenization)를 위한 렌즈 어레이)의 세부사항과 레이저 광의 간섭성(coherence)의 조합의 결과이다. 이러한 불균일성 부분은 허용될 수 없는 수준의 소자 불균일성 부분으로 해석될 수 있으며, 이러한 소자 불균일성 부분은 디스플레이의 불균일한 휘도를 초래한다. 이는 모든 픽셀 기반 디스플레이에 있어서 사실이지만, AMOLED 소자에 대해서는 특히 그렇다. 예를 들어, 빔의 강도 피크(intensity peak)가 스캔의 방향을 따라 더 높은 에너지에서 결정화된 물질의 긴 줄무늬를 초래할 수 있으며, 상기 줄무늬 내에서 만들어지는 소자는 상기 줄무늬 밖에서 만들어지는 소자와 다른 속성을 가질 수 있다.
선형 빔 SLS 공정은, 예를 들어 1차원(1D) 투사 시스템을 이용하여, 통상, 길이 1 내지 100㎝ 수준의 높은 종횡비의 긴 레이저 빔(가령, “선형 빔(line beam)”)을 발생할 수 있다. 폭에 대한 길이의 종횡비는 약 50 또는 그 이상, 예를 들어, 최대 100, 또는 500, 또는 1000, 또는 2000, 또는 10000, 또는 최대 약 2×105, 또는 그 이상일 수 있다. 높은 종횡비의(긴 형태의) 조사 패턴에 의해 조사되는 박막이, 강화된 픽셀 간 휘도 균일성을 제공하는 TFT로 제조될 수 있는데, 왜냐하면, 단일 스캔이 전체 디스플레이에 대해 충분히 넓은 면적을 결정화할 것이기 때문이다. 빔 길이는 최소한 단일 디스플레이(가령, 액정, 또는 OLED 디스플레이)의 크기 정도이거나, 단일 디스플레이 크기의 복수 배, 또는 복수의 디스플레이가 생성될 수 있는 기판의 크기 정도인 것이 바람직하다. 이는, 막의 조사 영역들 간 임의의 경계의 출현을 감소, 또는 제거하기 때문에 유용하다. 일반적으로, 특정 액정 또는 OLED 디스플레이 내에서, 막을 가로질러 복수의 스캔이 요구될 때 발생할 수 있는 어떠한 스티칭 아티팩트(stitching artifact)도 보이질 않을 것이다. 빔 길이는 휴대폰 디스플레이용 기판(가령, (2:3, 3:4 또는 그 밖의 다른 일반적인 종횡비를 갖는) 휴대폰용 약 2인치(대각선), 그리고 랩톱 디스플레이용으로 최대 10 내지 16인치(대각선))을 제조하기에 적합할 수 있다.
한 가지 종래의 LS-SLS 조사 프로토콜(본원에서 "균일 SLS" 또는 "2-샷 SLS"라고 지칭됨)이 사용되어, 측방으로 기다란 결정으로 구성된 반복되는 컬럼(column)을 특징으로 하는 균일한 결정질 막을 제조할 수 있다. 결정화 프로토콜은 막을 실제 측방 성장 길이("LGL")보다 많이 전진시키는 과정을 포함(가령, δ>LGL이며, 여기서 δ는 펄스 간 병진 운동 거리임)하며, 측방 성장 길이의 2배보다 작다(가령, δ<2LGL). 특성 측방 성장 길이는, 설정된 조사 조건 및 샘플 구성 하에서, 단일 조사 스텝에서의 결정립의 무방해 측방 성장 거리를 지칭한다. 궁극적으로, 측방 성장은 과냉각된 액상 Si 막 내 핵생성의 개시에 의해 제한된다. 따라서 특성 측방 성장 길이는, 펄스 지속시간, 비정질 실리콘 막 두께 및 기판 온도와 같은 인수들의 함수이다. 예를 들어, 성장 중인 결정이, 전체 두께에 걸쳐 완전히 융해되지 않은 다른 Si 부분으로부터 시작된 고체 전단부와 만나는 경우, 실제 측방 성장 길이는 특성 길이보다 짧을 수 있다. 50㎚ 두께의 막에 대한 일반적인 측방 성장 길이는, 펄스 지속시간에 따라, 최대 약 2.0에서 3.0미크론이다. 2-샷 SLS에 대한 경우에서 병진 운동 거리는, 결정립의 길이보다 크지만, 상기 결정립의 길이의 두 배보다는 작다. 상기 결정립의 길이는, 핵생성이 없는 경우, 빔 폭의 2분의 1에 대응한다. 균일 결정 성장이 도 2A-2D를 참조하여 설명된다.
도 2A를 참조하여, 좁고(가령, 특성 LGL의 2배보다 작은), 기다란(가령, 10㎜이상, 최대 1000㎜ 이상) 레이저 빔 펄스를 이용해 막에 대한 제 1 조사 또는 스캔이 수행되며, 이때, 상기 레이저 빔 펄스의 에너지 밀도는 상기 막을 완전히 융해하기에 충분하다. 이 결과로, 레이저 빔에 노출된 막(도 2A에서 영역(400)으로 표시됨)이 완전히 융해되고, 그 후, 결정화된다. 이 경우, 조사되지 않은 영역과 융해된 영역 사이의 경계부(420)로부터 결정립이 측방으로 성장한다. 융해된 구역의 폭이 특성 LGL의 약 2배보다 작도록 레이저 펄스 폭을 선택함으로써, 두 고체/융해 경계부로부터 성장하는 결정립들이 융해된 영역의 거의 중앙(가령, 중앙선(405))에서 서로 충돌하며, 측방 성장이 멈춘다. 융해 온도가 핵생성을 시작시키기에 충분히 낮아지기 전에, 2개의 융해 전단부들이 거의 중앙선(405)에서 충돌한다.
도 2B를 참조하여, 대략 LGL보다는 크고 LGL의 2배보다는 작은 지정 거리 δ만큼 이동된 후, 제 2 레이저 빔 펄스로 기판의 두 번째 영역(400')이 조사된다. 기판의 이동거리 δ는, 레이저 빔 펄스의 바람직한 정도의 겹침과 관련이 있다. 기판의 이동거리가 커질수록, 겹치는 정도는 작아진다. 레이저 빔의 겹치는 정도는, LGL의 약 90% 이하, 10% 이상이 되도록 하는 것이 이롭고 바람직하다. 겹치는 영역은 중괄호(430)와 점선(435)으로 표시된다. 제 2 레이저 빔 조사에 노출된 막 영역(400')은 완전히 융해되고, 결정화된다. 이 경우, 제 1 조사 펄스에 의해 성장된 결정립이, 제 2 조사 펄스로부터 성장하는 결정립의 측방 성장을 위한 결정화 종자(crystallizing seed)로서 기능을 한다. 도 2C는 측방 성장 길이 이상으로 측방으로 뻗어 있는 결정을 갖는 영역(440)을 도시한다. 따라서 기다란 결정들로 구성된 컬럼은 평균적으로 2번의 레이저 빔 조사에 의해 형성된다. 측방으로 뻗어 있는 결정으로 구성된 컬럼을 형성하기 위해 2개의 조사 펄스가 전부이기 때문에, 공정은 “2-샷(two shot)" 공정이라고도 지칭된다. 측방으로 뻗어 있는 결정으로 구성된 복수의 컬럼을 형성하기 위해 기판을 가로질러 조사가 계속된다. 도 2D는 복수 번 조사 후의 기판의 미세구조체를 도시하고, 측방으로 뻗어 있는 결정들로 구성된 복수의 컬럼(440)을 도시한다.
선형 빔의 길이 방향을 따라, 빔의 폭, 형태 및/또는 에너지 밀도에 변동이 존재함이 관찰되었다. 일부 경우, 이러한 변동은 실질적으로 주기성을 갖는다. 일부 경우, 불균일성 부분의 주기성은 선형 빔의 하나의 끝에서 다른 끝보다 더 크다. 조사 패턴에서 빔의 폭의 주기적 변동을 보여주는 예시적 선형 빔(300)이 도 3에서 도시된다. 유사한 예시가 에너지 밀도에 대해서도 주어질 수 있다. 선형 빔은 비율대로 도시된 것이 아니며, 통상적으로 사용될 때는 도시된 것보다 빔 길이에 비해 훨씬 더 좁다. 빔 길이는 빔의 길이 방향에 따라 규칙적인 주기 변동(310, 320)을 보인다. 일부 경우, 도면부호(310)에서 나타나는 것처럼, 주기성이 넓을 수 있다. 주기성은 표면 상의 복수의 소자들에 걸쳐 있을 정도로 충분히 크고, 따라서 변동이 두드러지지 않는다. 이와 달리, 도면부호(320)의 주기성은 훨씬 더 작을 수 있다. 주기성은 미크론에서 밀리미터로(가령, 100㎛ 내지 5㎜) 다양한 거리를 가질 수 있다. 이 주기성은 장치별로 결정 품질의 차이를 유도하기에 충분할 정도로 작다. 변동의 주기성에 따라 각각의 스캔을 해석함으로써, 결정 품질의 변동의 평균이 구해지고 따라서 균일한 구조체가 얻어진다.
도 4-6을 참조하여, LS-SLS를 이용하는 결정화 방법이 기재된다. 선택된 영역을 가로지르는 "n"번 스캔에 의해 상기 영역의 완전한 결정화가 이뤄지는 LS-SLS 공정에 있어서, 물질의 단 일부분만 완전히 처리되거나(예를 들어, 물질의 n분의 1만 처리), 완전한 결정화를 위해 필요한 총 조사 펄스의 n분의 1만 사용된다. 예를 들어, 도 4-6에서 도시된 바와 같아, n=3인 경우, 기판(500)에 대해, 펄스 간 병진 운동 거리는 정규 스캔 공정에서의 거리의 3배이다. 각각의 펄스는 영역(510)을 조사할 것이다. 이러한 긴 병진 운동 거리의 결과로서, 비정질 물질(515)이 결정화된 영역들 사이에 남아있을 것이다. 정지 레이저 선형 빔 하에서, 레이저 빔이, 스캔 방향을 나타내는 화살표가 가리키는 방향으로 전진한다. 또 다른 실시예에서, 기판이 정지되어 있고, 레이저가 스캐닝된다. 도 5에서 도시된 두 번째 스캔 후에, 펄스 간 병진 운동 거리는 다시 정규 거리의 3배이지만, 펄스가 첫 번째 스캔에서 조사된 영역과 미리 선택된 범위까지 겹치도록, 펄스는 첫 번째 스캔에 비해 x-방향으로 특정 길이(525) 만큼 오프셋된다. 이에 추가로, 기판이 특정 거리(535) 만큼 y-방향으로 이동된다. 앞서 언급된 바와 같이, y-방향 병진 운동치는, 레이저 빔의 길이 방향에서의 변동의 주기성을 기초로 선택된다. 마지막으로 도 6을 참조하여, 상기 도 6에서 화살표가 가리키는 방향으로 기판이 스캔되는 세 번째 스캔이 수행된다. 스캔이 시작되기 전에, y-방향으로 긴 병진 운동 거리(550)만큼, 그리고 x-방향으로 오프셋(540)만큼, 기판은 다시 병진 운동된다. 적정한 x-방향 오프셋과 y-방향 병진 운동이 동반된 세 번의 스캔 후, 기판의 미리 선택된 영역(560)의 전체 폭이 조사된다. 기판의 상단 부분과 하단 부분은 완전히 결정화되지 않으며, 완전히 결정화되었으며 소자의 제조를 위해 사용될 수 있을 뿐 아니라, 종래의 방법을 사용하는 경우보다 더 균일한 영역(560)을 도출한다.
이 방법은 빔의 길이에 따라, 전체 패널, 또는 기판의 일부분을 결정화하는 것과 관련된다. 패널이 충분히 큰 경우, 설명된 방법을 패널의 여러 다른 영역에 적용시킴으로써, 하나의 패널 내 복수의 결정화된 영역이 만들어질 수 있다.
또 다른 실시예에서, 결정입계에 대해 비스듬하게 소자가 제작되어, 의도적으로 각각의 소자가 복수의 결정입계에 걸쳐 있을 수 있다. 기판의 x-y 축에 대해 비스듬하게 소자를 제작함으로써, 이러한 경사각이 얻어질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 기판을 비스듬하게 스캔함으로써, 막에 직접 경사를 유도할 수 있다. 가령, 결정화 동안의 병진 운동과 오프셋의 x-y 축이 기판의 사각형의 변에 평행하지 않는다. TFT에 대해 비스듬한 스캔 방향을 이용하여, 매트릭스는 불균일성 부분이 분포될 관점에서 문제를 다소 완화시킬 수 있다. 2005년12월02일자 미국 특허 출원 제11/293,655호 “Line Scan Sequential Lateral Solidification of Thin Films"를 참고하라. 상기 미국 특허 출원은 본원에 참조로서 포함된다.
본 출원은, 예를 들어, 선형 빔 ELA 결정화라고 지칭되는 부분 융해 또는 준-완전 융해(near-complete melting) 방식에서, 선형 빔을 이용하는 플로어 조사 기법에 대해 유사한 접근법이 사용될 수 있다는 것을 고려한다. 엑시머 레이저 어닐링 기법에 의해, 박막 물질의 신속한(1마이크로초 이하 수준의) 융해와 재-결정화가 가능하다. 이 기법에, 좁은 레이저 빔이 표면을 가로질러 이동함에 따라 박막은 많은 조사 펄스에 노출된다. 각각의 펄스가 막의 일부분씩을 융해시키며, 상기 막의 일부분들은 재-고상화(re-solidify)되고 재-결정화(re-crystallize)된다. 저온 다결정질 실리콘(LTPS: low-temperature polycrystalline silicon) 기반 디스플레이의 제조에서 사용되는 통상의 선형 빔 ELA 공정에 있어서, 펄스들 중 적어도 일부는 막의 준-완전 융해를 유도하기에 충분한 에너지 밀도 상태이다. 준-완전 융해란, 막의 많은 부분에서 막의 두께에 걸쳐 완전히 융해될 수 있으며, 아래 층과의 경계부를 따라 적어도 일부 고체 부분이 분포된 채 남아 있는 것을 의미한다. 이러한 준-완전 융해 상태에서, 측방 성장이 진행되고, 막 두께를 초과하는 직경을 갖는 결정이 얻어질 수 있다. 이러한 준-완전 융해 방식 및 이에 뒤 따르는 초-측방 성장(super-lateral growth) 현상은, 예를 들어, James S. Im 외 다수, Appl. Phys. Lett. 63(1993) p 1969에서 설명된 바 있다. 융해 및 재-결정화의 복수 사이클에 의해, 특정 표면 거칠기(roughness)를 유도하고, 작지만 균일한 크기의 결정립 구조체를 생성하도록 막의 물질을 조직하는 것이 보조된다. 일반적으로 결정의 크기는 레이저 광의 파장과 관련이 있는 것으로 밝혀진다(가령, XeCl-가스 엑시머 레이저 공정(λ=308㎚)에서 약 300㎚의 결정립). 통상의 ELA 공정은 10 또는 20개 이상의 레이저 펄스로 막의 특정 부분을 조사하며, 많은 경우에서, 레이저 펄스는 훨씬 더 많을 수 있으며, 가령, 적어도 30 내지 적어도 50개의 레이저 펄스일 수 있다.
도 7A는 종래의 ELA 단일-스캔을 도시하며, 여기서 선형 빔(700)이 막(709)을 스캔할 때의, 선형 빔의 단축에서 취해진 선형 빔의 단면이 도시된다. 상기 빔(700)은 화살표(705)의 방향으로 진전하고, 상기 빔(700)이 막(709)을 가로질러 이동함에 따라 막(709)의 영역(707)이 복수의 레이저 펄스로 조사될 수 있다. 도 7B는 본 발명의 방법의 ELA 방식을 도시한다. 이 방법은 2번의 빔 스캔(710, 712), 즉, 화살표(715) 방향(가령, x-방향)으로의 제 1 스캔(710)과, 화살표(720) 방향(가령, 음의 x-방향)으로의 제 2 스캔(712)으로 구성된다. 또한 화살표(720) 방향으로의 제 2 스캔(712)이, 화살표(715 및 720) 방향에 수직인 방향(가령, y-방향)으로 이뤄지는 빔(700)의 병진 운동(715)을 포함할 수 있다. 본 발명의 방법의 각각의 개별 스캔에서 레이저 펄스의 총 개수는 종래의 ELA 방법에서의 레이저 펄스의 개수보다 적지만, 역방향 스캔(reverse scan) 때문에, 영역(717)은, 종래의 ELA 방법에서의 영역(707)과 동일한 개수의 레이저 펄스로 조사될 수 있다. 예를 들어, ELA 공정을 위해 단위 면적 당 펄스의 총 개수가 100이어야 하는 경우, 본 발명의 방법의 하나의 실시예에 따라 2회의 ELA 스캔을 사용한다면, 첫 번째 스캔은 단위 면적당 50개의 펄스를, 두 번째 스캔은 단위 면적당 50개의 펄스를 도출할 것이다.
ELA에서, 선형 빔이 중첩 스캐닝(overlapped scanning)을 위해 사용된다. 선형 빔은 SLS 실시예에서 사용되는 선형 빔보다 더 넓은 것이 일반적이다. 예를 들어, ELA 공정에서의 선형 빔은 약 300미크론 내지 약 400미크론의 폭을 가질 수 있으며, 선형 스캔 SLS 빔은 약 3 내지 6미크론의 폭을 가지며, 최대 8 내지 10미크론의 폭을 가질 수 있다. 일부 SLS 선형 빔은 최대 50미크론의 폭을 가질 수 있다. 2-샷 SLS에 있어서, SLS 선형 빔은 핵생성을 피하기에 충분히 좁을 필요가 있지만, 이 폭은 펄스 지속시간과 막 두께를 기초로 달라질 수 있다. SLS는 제어형 측방 성장 기법이지만, ELA는 본질적으로, 융해된 영역의 측방 크기의 어떠한 제어도 필요하지 않은 플러드 조사(flood irradiation) 기법이기 때문에, 더 넓은 폭의 빔을 이용할 수 있다. 덧붙여, ELA 빔의 플루언스(fluence)는 막의 완전한 융해를 유도하지 않도록, 선택된다. 따라서 ELA 빔은 특정 막에 완전한 융해를 유도하는 플루언스 값의 약 5% 내지 20%만큼 낮은 플루언스를 가져야 한다. SLS 실시예에서는, 막의 완전한 융해를 보장하고 충분한 측방 성장을 유도하기 위해, 빔의 플루언스는 완전한 융해 플루언스보다 약 10% 또는 약 20%, 또는 약 50%, 또는 심지어 80%, 또는 100% 더 높아야 한다. 완전한 융해를 유도하는 플루언스 값은 막의 두께 및 펄스의 지속시간에 따라 달라진다. 덧붙이자면, ELA 빔은 (SLS 선형 빔용으로 바람직한 비교적 고주파수, 즉, 3, 4 또는 6㎑에 비교할 때) 비교적 저주파수를 갖고, 약 300㎐ 내지 약 600㎐의 반복률(repetition rate)을 가진다. ELA와 SLS 모두에서 사용되는 레이저는 고주파수 및 저전력 펄스형 레이저일 수 있으며, 약 300W 내지 약 600W, 심지어 최대 약 1㎾의 전력을 가진다. 고전력 레이저는 펄스당 충분한 에너지를 제공하여, 조사되는 영역의 길이 방향에 걸쳐, 펄스가 상기 영역 내 막을 융해할 수 있기에 적정한 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 그 밖의 다른 펄스형 레이저 소스(가령, 솔리드 상태 레이저)가 또한 사용될 수 있으며, 더 낮은 전력(가령, 100W 또는 200W)과 더 짧은 선형 빔을 가질 수 있다. 약 532㎚의 파장을 이용한 주파수 배가(frequency doubling) 후의 다이오드-펌프드 솔리드 상태 레이저(DPSS: diode-pumped solid state laser)가 일반적으로 사용된다. DPSS의 고주파수(가령, 10,000㎐, 또는 100,000㎐, 또는 그 이상)는 매우 빠른 스캐닝을 도출할 수 있으며, 작은 크기 소자(가령, 소형 디스플레이, 그 밖의 다른 전자소자(가령, 무선 주파수 식별자(RFID: radio frequency identification)용 칩), 또는 디스플레이의 외곽부의 전자소자 집적 영역)에도 적용될 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예는 임의의 특정 주파수의 레이저로 국한되지 않는다. 예를 들어, 저주파수 레이저, 가령, 1㎑ 이하의 레이저도 본원에서 기재되는 조사 방식과 호환될 수 있다.
예를 들어, ELA 선형 빔은, 비교적 넓은 빔(최대 약 400㎛)을 도출하는 비교적 저주파수 레이저 소스, 가령, JSW 결정화 시스템(일본, 도쿄, 시나가와-쿠, 오사키 1-초메, 게이트 시티 오사키-웨스트 타워 11-1에 소재하는 The Japanese Steel Works, Ltd.)로부터 생성되거나, 비교적 좁은 빔(약 10㎛ 이상, 또는 약 40㎛ 이하, 또는 그 이상)을 도출하는 비교적 고주파수 레이저 소스, 가령, TCZ 결정화 시스템(싱가폴 768923 이션 애비뉴 7 넘버 1에 소재하는 TCZ Pte. Ltd.)으로부터 생성될 수 있다.
ELA를 이용할 때 발생하는 주요한 불균일성들 중 하나로, 패널 휘도에서 밝은 선/어두운 선을 의미하는 무라(mura) 문제가 있다. 예를 들어, 샷(shot) 간 에너지 변동이 스캔 방향에 수직으로 무라를 초래할 수 있으며, 반면에, (가령, 간섭을 통한) 빔의 길이 방향을 따르는 빔의 불균일성은 스캔 방향에 평행으로 무라를 초래할 수 있다. 후자 형태의 무라는, 기판을 복수 번 ELA 스캔하고, 스캔 사이에, 빔에 대해 샘플의 y-방향으로 횡방향 병진 운동시켜, 빔의 간섭 특징부가 이전 스캔에 대해 이동되게 하여, 무라 패턴을 '끊음'으로써, 해결될 수 있다. 기판의 일부분이 펄스들 간에 조사되지 않게 남겨지는 앞서 설명된 SLS 공정과 달리, ELA 조사는 펄스들 간의 상당한 중첩을 이용한다. 종래의 ELA 공정에 있어서 통상적으로, 하나의 펄스에서 다음번 펄스까지 90% 이상의 중첩이 존재한다, 가령, 펄스들 간에 약 90 내지 99%의 중첩이 존재한다. x-방향 오프셋과 y-방향 병진 운동을 이용하는 복수 번 스캔 조사의 개념을 ELA에 적용할 때, 각각의 스캔에서 중첩의 퍼센트가 감소되고, 복수 번의 스캔이 실질적으로 동일한 영역에 걸쳐 실시되어, 상기 영역에 대한 희망 중첩 레벨에 도달할 수 있다. 예컨대, 90%의 중첩률을 갖는 1번의 스캔을 하기보다는, 각각 80%의 중첩률을 갖는 2번의 스캔과, 상기 스캔 사이에 y-방향으로 횡방향 이동하는 것을 할 수 있다. 각각의 경우에서 중첩률은 서로 동일할 필요는 없지만, 동일한 것이 바람직한데, 왜냐하면, 스테이지 속도가 동일할 것이고, 스테이지는 하나의 특정 스테이지 속도에 대해 특히 안정적이도록 제조되기 때문이다. 또한 뒤따르는 스캔이 반대 방향일 수 있지만, 스캔들은 동일한 방향일 수도 있으며, 이 경우, 스테이지는 다음 번 스캔이 실시되기 전에 시작 위치로 복귀할 필요가 있다. 역방향 스테이지 이동 동안 레이저는 차단되거나 꺼질 수 있다.
본 발명의 방법이 평행 무라를 실질적으로 제거하는 데 효과적이지만, 수직 무라를 상당히 감소시키는 데에도 이로울 수 있다. 펄스 간 변동이 항상 비-상관적(uncorrelated)인 것은 아니다. 한 가지 예로, 평균 펄스 에너지는 많은 펄스(가령, 수십만, 또는 수백만, 또는 그 이상)의 시간에 걸쳐 천천히 변화(drift)할 수 있다. 상용화된 일부 시스템에서, 이러한 문제는, 에너지 밀도를 지속적으로 모니터링하고, 이러한 에너지 밀도를, 펄스 에너지의 임의의 변화(drift)를 보상하기 위한 피드백으로서 이용함으로써, 해결된다. 변화가 검출되면, 펌핑 파워(pumping power)(가령, 엑시머 레이저의 경우, 고전압)를 스테핑(stepping)함으로써, 또는 발진 매질(lasing medium)을 재충전(refresh)함으로써(가령, 엑시머 레이저의 경우 혼합기에 신선한 기체를 추가함으로써), 또는 광감쇠기의 투과율을 조절함으로써, 펄스 에너지가 조정될 수 있다. 예를 들어, 이러한 피드백은, 점진적인 변화와 반대로, 펄스 에너지의 더 급격한 변동을 초래할 수 있다. 또한 피드백 보상은 짧은 시간에 걸친(가령, 수십, 또는 수백, 또는 수천 개의 펄스) 점진적 변화를 교정하는 데 효과적이지 않을 수 있다. 따라서 기재된 변동은 너무 클 수 있으며, 무라를 초래할 수 있다. 본원에서 제시되는 복수 번의 스캐닝은, 이전 스캔과 비교할 때 비-상관적인 에너지 변동을 갖는 두 번째 스캔과 중첩함으로써, 수직 무라도 감소시킨다는 추가적인 이점을 가진다.
펄스 레이트(pulse rate)와 스캔 레이트(scan rate)의 적정한 조합을 얻기 위해, 더 높은 스테이지 스캔 속도, 또는 더 낮은 레이저 반복률(즉, 레이저 주파수), 또는 이들이 조합이 요구된다. 그러나 더 낮은 반복률은 처리량을 상당히 감소시킬 것이다. 다행히도, 선형 스캔 SLS에 있어 스캔 속도는 낮은 것이 일반적이다. 따라서 스캔 속도를 증가시키는 것이 펄스 레이트와 스캔 레이트의 적정한 조합을 어디 위한 가장 좋은 방법일 수 있다. 다음 번 스캔을 위한 선회(turn around)(즉, 스캔 방향의 역전)의 필요성과 이에 대응하는 감속 및 가속과 관련된 시간 때문에, 처리량의 일부 감소는 여전히 야기된다. 현재 엑시머 레이저 기반 2-샷 선형 스캔 SLS 방식을 이용한 처리량은 2-D 투사 시스템을 이용하여 획득되는 처리량보다 높은데, 이는 대부분, 사용되는 레이저의 더 높은 전력의 결과이다. 또한 선회의 횟수는, 2-샷 선형-스캔 SLS 방식에서 더 적다.
마지막으로, 다중-스캔 LS-SLS 공정에 있어서, 펄스의 정확한 배치가 요구된다. 이를 위해, 앞서, “스테이지-동기화된(stage-synchronized)” 레이저 제어가 구현되었으며, 매우 정확한 것으로 밝혀졌었다. 이러한 시스템의 정확성은 수십㎝/s로 이동하는 스테이지에 대해 입증되었으며, 지금까지 느리게 이동하는 스테이지에 대한 정확성은 문제가 되지 않을 것이다. 다중-스캔 ELA에 있어서, 공정이 플러드 조사 공정이기 때문에, 이러한 스테이지-동기화된 레이저 제어가 필요하지 않을 수 있으며, 이전 펄스에 대한 펄스의 측방 배치가 덜 중요하다. 다른 한편, (짧은 크기의) 빔 에지(beam edge)의 제어된 배치에 의해 더 균일한 물질을 얻기 위해, 그리고 더 바람직한 패널 재현성(reproducibility)을 얻기 위해, 스테이지-동기화된 레이저 제어가 바람직할 수 있다. 두 실시예 모두에 대해, 횡방향 병진 운동을 대신하여, 또는 횡방향 병진 운동에 추가하여, 스캔과 스캔 사이에서, 스테이지가 약 180도 회전되는 것도 고려된다.
본 발명의 또 하나의 양태는 박막의 결정화를 위한 시스템에 관한 것이다. 도 8에서 도시된 시스템은, 기판(805) 상에 배치될 수 있는 결정화될 막(800)과, 막의 펄스형 레이저 결정화를 위한 하나 이상의 레이저 빔 펄스(810)를 발생하기 위한 하나 이상의 레이저와, 둘 이상의 방향으로 이동할 수 있으며 막의 위치를 조정하기 위한 막 지지대(815)와, 레이저 빔 펄스의 주파수와 함께 상기 막 지지대의 이동을 제어하기 위한 제어기를 포함할 수 있다.
SLS 실시예에서, 각각의 레이저 펄스가 막의 전체 두께에 걸쳐 상기 막을 융해하기에 충분한 길이, 폭 및 플루언스를 갖는 선형 빔을 형성하도록 레이저 빔 소스가 구성된다. SLS 실시예에서, 제어기는, 본 발명의 방법과 관련하여 앞서 기재된 대로, 막 지지대의 이동과 레이저 빔의 주파수를 제어한다.
ELA 실시예에서, 레이저 빔 소스는 길이와 폭을 갖는 선형 빔을 형성하도록 구성된다. ELA 실시예에서, 각각의 펄스가 이전에 조사된 부분과 중첩되는 막의 부분을 조사하고 융해하고, 막의 부분에 조사되는 총 펄스는 결정화를 완료하기 위해 요구되는 것보다 더 적은 양이도록 선택된 속도로, 선형 빔은 이동된다. ELA 실시예에서, 제어기는, 본 발명의 방법과 관련하여 앞서 기재된 대로, 막 지지대의 이동과 레이저 빔의 주파수를 제어한다.
본 발명의 실시예들을 제시하고 설명하였지만, 해당업계 종사자라면, 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 범위 내에서, 상기 실시예들의 다양한 변형과 수정이 이뤄질 수 있음을 알 것이다. 따라서 본 발명은 다음의 청구항 및 그 등가물에 의해서만 제한된다.

Claims (36)

  1. 막을 처리하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
    조사 영역(irradiated region)의 제 1 집합을 형성하기 위해, 복수의 선형 빔(line beam) 레이저 펄스를 이용한 막의 x-방향으로의 제 1 스캔에서, x-축과 y-축을 갖는 막을 연속으로 조사(irradiating)하는 단계와,
    막의 y-방향으로 상기 막을 특정 거리만큼 병진 운동시키는 단계로서, 상기 특정 거리는 선형 빔의 길이보다 짧은, 병진 운동 단계와,
    조사 영역의 제 2 집합을 형성하기 위해, 선형 빔 레이저 펄스의 시퀀스를 이용한 막의 음의 x-방향으로의 제 2 스캔에서, 막을 연속으로 조사하는 단계
    를 포함하며,
    상기 제 2 집합의 각각의 조사 영역은 제 1 집합의 조사 영역의 일부분과 중첩되며, 제 1 집합 및 제 2 집합의 각각의 조사 영역은, 냉각 후, 하나 이상의 결정화된 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 각각의 선형 빔 레이저 펄스는, 조사 영역의 제 1 집합 및 제 2 집합에서 막을 막의 전체 두께에 걸쳐 융해하기에 충분한 플루언스(fluence)를 가지며, 제 1 집합의 각각의 조사 영역은 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 제 1 집합의 각각의 조사 영역은, 냉각 후, 하나 이상의 측방 성장되는 결정을 형성하며, 제 2 집합의 각각의 조사 영역은, 냉각 후, 제 1 집합의 조사 영역의 하나 이상의 측방 성장된 결정에 관련하여 뻗어 있는 하나 이상의 측방 성장된 결정을 형성하는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 사용되는 레이저 결정화 방법은 순차적 측면 고상화(sequential lateral solidification)임을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 제 1 집합의 각각의 조사 영역은 서로 중첩되는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 제 1 스캔에서의 레이저 빔 펄스의 개수는 막의 결정화를 완료하기 위해 필요한 개수보다 작은 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 제 2 스캔에서의 레이저 빔 펄스의 개수는 막의 결정화를 완료하기 위해 필요한 개수보다 작은 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 사용되는 레이저 결정화 방법은 엑시머 레이저 어닐링(excimer laser annealing)임을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 결정화 방법은 단위 면적당 약 10 내지 약 100개의 펄스를 이용하는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 결정화 방법은 단위 면적당 약 10 내지 약 40개의 펄스를 이용하는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 각각의 스캔에서 조사 영역들 간 중첩되는 부분은 80% 이하인 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 각각의 스캔에서 조사 영역들 간 중첩되는 부분은 90% 이하인 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 적어도 2회의 연속 스캔을 포함하는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 2-8회의 연속 스캔을 포함하는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  15. 제 1 항에 있어서, y-방향 병진 운동 거리는 약 10㎛ 내지 약 10㎜인 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  16. 제 1 항에 있어서, y-방향 병진 운동 거리는 약 100㎛ 내지 약 2㎜인 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은
    스캔과 스캔 사이에서, 막을 약 180도 회전시키는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 방법.
  18. 막을 처리하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
    막의 펄스형 레이저 결정화를 위해 복수의 레이저 빔 펄스를 발생하기 위한 하나 이상의 레이저로서, 각각의 레이저 펄스는 길이와 폭을 갖는 선형 빔(line beam)을 형성하는, 상기 하나 이상의 레이저와,
    x-축과 y-축을 가지며 자신 위에 배치되는 막의 위치를 조정하고, 둘 이상의 방향으로 이동 가능한 막 지지대와,
    레이저 빔 펄스의 주파수와 함께 상기 막 지지대의 이동을 제어하는 과정에 대해 인스트럭션을 제공하는 제어기
    를 포함하며, 상기 막 지지대의 이동을 제어하는 과정은
    조사 영역(irradiated region)의 제 1 집합을 형성하기 위해, 복수의 선형 빔(line beam) 레이저 펄스를 이용한 막의 x-방향으로의 제 1 스캔에서, 막을 연속으로 조사(irradiating)하는 과정과,
    막의 y-방향으로 상기 막을 특정 거리만큼 병진 운동시키는 과정으로서, 상기 특정 거리는 선형 빔의 길이보다 짧은, 병진 운동 과정과,
    조사 영역의 제 2 집합을 형성하기 위해, 선형 빔 레이저 펄스의 시퀀스를 이용한 막의 음의 x-방향으로의 제 2 스캔에서, 막을 연속으로 조사하는 과정
    을 포함하며,
    상기 제 2 집합의 각각의 조사 영역은 제 1 집합의 조사 영역의 일부분과 중첩되며, 제 1 집합 및 제 2 집합의 각각의 조사 영역은, 냉각 후, 하나 이상의 결정화된 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 각각의 선형 빔 레이저 펄스는, 조사 영역의 제 1 집합 및 제 2 집합에서 막을 막의 전체 두께에 걸쳐 융해하기에 충분한 플루언스(fluence)를 가지며, 제 1 집합의 각각의 조사 영역은 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서, 제 1 집합의 각각의 조사 영역은, 냉각 후, 하나 이상의 측방 성장되는 결정을 형성하며, 제 2 집합의 각각의 조사 영역은, 냉각 후, 제 1 집합의 조사 영역의 하나 이상의 측방 성장된 결정에 관련하여 뻗어 있는 하나 이상의 측방 성장된 결정을 형성하는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서, 사용되는 레이저 결정화 방법은 순차적 측면 고상화(sequential lateral solidification)임을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  22. 제 18 항에 있어서, 제 1 집합의 각각의 조사 영역은 서로 중첩되는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  23. 제 18 항에 있어서, 제 1 스캔에서의 레이저 빔 펄스의 개수는 막의 결정화를 완료하기 위해 필요한 개수보다 작은 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  24. 제 18 항에 있어서, 제 2 스캔에서의 레이저 빔 펄스의 개수는 막의 결정화를 완료하기 위해 필요한 개수보다 작은 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  25. 제 18 항에 있어서, 사용되는 레이저 결정화 방법은 엑시머 레이저 어닐링(excimer laser annealing)임을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서, 결정화 방법은 단위 면적당 약 10 내지 약 100개의 펄스를 이용하는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  27. 제 25 항에 있어서, 결정화 방법은 단위 면적당 약 10 내지 약 40개의 펄스를 이용하는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  28. 제 25 항에 있어서, 각각의 스캔에서 조사 영역들 간 중첩되는 부분은 80% 이하인 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  29. 제 25 항에 있어서, 각각의 스캔에서 조사 영역들 간 중첩되는 부분은 90% 이하인 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  30. 제 18 항에 있어서, 상기 방법은 적어도 2회의 연속 스캔을 포함하는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  31. 제 18 항에 있어서, 상기 방법은 2-8회의 연속 스캔을 포함하는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  32. 제 18 항에 있어서, y-방향 병진 운동 거리는 약 100㎛ 내지 약 10㎜인 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  33. 제 18 항에 있어서, y-방향 병진 운동 거리는 약 100㎛ 내지 약 2㎜인 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  34. 제 18 항에 있어서, 상기 막은 스캔과 스캔 사이에서, 약 180도 회전되는 것을 특징으로 하는 막을 처리하기 위한 시스템.
  35. 청구항 제1항의 방법에 의해 처리되는 막을 포함하는 제품.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 제품은 액정 디스플레이 스크린인 것을 특징으로 하는 제품.
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