KR20110131289A - 결정질 반도체막의 제조 방법 - Google Patents

결정질 반도체막의 제조 방법 Download PDF

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KR20110131289A
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료타로 토가시
토시오 이나미
준이치 시다
아키노리 코야노
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가부시끼가이샤 니혼 세이꼬쇼
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Abstract

결정 입경이 충분히 작고 균일한 결정질 반도체막을 기판 상에 얻는다. 바람직하게는 비정질 반도체막(9)을 상층에 갖는 유리 기판(8)을 승온시켜서 가열 상태를 유지한다. 상기 유리 기판(8) 상의 상기 비정질 반도체막(9)에 레이저광(20)을 조사하여 상기 비정질 반도체막을 융점을 초과하지 않는 온도로 가열하여, 상기 비정질 반도체막(9)을 결정화시킨다. 유리 기판에 데미지를 주지 않고, 기판 상에 결정 입경이 작고 균일한 결정질 반도체막을 얻을 수 있다. 또한, 레이저광 조사 전에 유리 기판을 가열 유지하여 두는 것에 의해서, 레이저광의 쇼트마다의 온도변동을 균일하게 할 수 있다. 또한, 레이저광의 조사에 의해서 결정 결함을 제거하고, 또한, 비정질 반도체막 내에 내재하는 불순물이나 표면에 부착되어 있는 오염을 제거한다.

Description

결정질 반도체막의 제조 방법{PRODUCTION METHOD OF CRYSTALLINE SEMICONDUCTOR FILM}
본 발명은 비정질 반도체막에 레이저광을 조사하여 결정화시키는 결정질 반도체막의 제조 방법, 반도체막의 가열 제어 방법 및 반도체결정화 장치에 관한 것이다.
액정표시장치 등의 박형 표시기 플랫 패널 디스플레이에 사용되는 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor:TFT)의 결정화 실리콘의 제조에는, (1)비정질 반도체막에 펄스 레이저광을 조사하고, 용융, 재결정화시키는 방법(레이저 어닐링법)이나, (2)가열로에서 기판을 가열하여, 비정질 반도체막을 용융시키지 않고 고체인 채로 결정 성장시키는 고상성장법(Solid phase crystallization:SPC법)이나, (3)유리 기판 상에 CVD(Chemical Vapor Deposition)법으로 직접 폴리실리콘막을 성장시키는 방법이 일반적이다.
또한, 고상성장시킨 폴리실리콘에 레이저광을 조사하여 폴리실리콘막 중의 불순물을 이동시켜서 포획하는 방법(특허문헌 1 참조)이나, 결정질 실리콘막에 레이저광을 조사하여 용융 고화 공정에서 결정 결함을 저감시켜 결정성을 향상시키는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 2 참조).
특허문헌 1:일본특허공개 2002-373859호 공보
특허문헌 2:일본특허공개 2006-108136호 공보
그런데, 최근, 액정 모니터에서 변경되어, 차세대 디스플레이로서 유력시되고 있는 유기EL(Electroluminescence) 디스플레이에서는 유기EL 자체가 발광함으로써 스크린의 휘도를 상승시킨다. 유기EL의 발광재료는 LCD와 같이 전압구동이 아니라 전류구동이기 때문에, TFT로의 요구가 달라진다. 비정질 반도체에 의한 TFT에서는 경년변화의 억제가 어렵고, 임계값전압(Vth)이 대폭적인 드리프트가 발생하여, 디바이스의 수명이 제한된다. 한편, 폴리실리콘은 안정한 재료이기 때문에 수명이 길다. 그러나, 폴리실리콘에 의한 TFT에서는 TFT의 특성 불균일이 크다. 상기 TFT 특성의 불균일은 결정질 실리콘의 결정 입자의 계면(결정 입계)이 TFT의 채널 형성 영역에 존재하면 발생하기 쉬워진다. TFT의 특성 불균일은 주로 채널 간에 존재하는 결정 입경과 결정 입계의 수에 좌우되기 쉽다. 또한, 결정 입경이 크면 일반적으로 전해전자 이동도가 커진다. 유기EL 디스플레이 용도의 TFT는 전해전자 이동도가 높은 것은 오히려 TFT의 채널길이를 길게 하지 않으면 안되고, RGB(적색·녹색·청색) 각각의 1화소의 크기가 TFT의 채널길이에 의존하여 고해상도가 얻어지지 않는다.
그러나, 종래의 결정화 방법에서는 상기의 문제를 해결하는 것이 곤란하다. 왜냐하면, 레이저 어닐링법은 비정질 반도체를 일단 용융시켜 재결정화시키는 프로세스이기 때문에, 일반적으로 형성되는 결정 입경은 크고, 상술한 바와 같이 전계전자 이동도가 높고, 또한 복수의 TFT의 채널 영역내의 결정 입경의 수에 불균일이 발생되는 것이나, 랜덤 형상, 이웃이 되는 결정의 결정배향성에 차이가 발생함으로써, 결과, TFT의 특성 불균일에 크게 영향을 준다. 또한, 표면의 오염에 의해서 결정에 결함이 발생된다는 문제도 있다.
한편, 고상성장법(SPC법)에 의한 결정은 입경이 작고 TFT 불균일은 적어, 상기 과제를 해결하는 가장 유효한 결정화 방법이다. 그러나, 열처리에 의한 고상성장에서는 결정형상이 일정하지 않고 결정 입자 중에 많은 결함이 보여진다. 또한, 결정화 시간이 길어서, 대량 생산 용도로서는 채용하기 어렵다. 고상성장법(SPC법)을 가능하게 하는 열처리 공정에서는 복수장의 기판을 동시에 처리하는 배치 타입(batch type)의 열처리 장치가 사용된다. 대량의 기판을 동시에 가열함으로써, 승온 및 항온에 장시간을 필요로 함과 아울러 기판내의 온도가 불균일해지기 쉽다. 또한, 고상성장법은, 유리 기판의 연화점 온도 약 600℃보다 높은 온도로 장시간 가열되기 때문에 유리 기판자체의 수축, 팽창을 야기해 유리에 데미지를 주기 쉽다. 실리콘의 SPC에 있어서의 결정화 온도는 유리 연화점 온도보다 높으므로, 작은 온도 분포에서도 유리 기판의 휨이나 수축 분포가 발생한다. 그 결과, 결정화가 가능하여도 초점심도가 얕은 노광 공정 등의 프로세스에 지장이 생겨 TFT 디바이스의 제작이 곤란해질 경우가 있다. 일반적으로 결정화 속도는 가열 온도에 의존하고, 600℃에서 수십시간, 650℃에서 수시간, 700℃에서 수십분의 처리 시간이 필요하다. 유리에 데미지를 주지 않도록 처리하기 위해서는 유리의 연화점보다 낮은 온도에서 장시간의 처리 시간이 필요하고 이 방법은 대량 생산 용도로서는 채용되기 어렵다.
또한, CVD법에 의한 폴리실리콘막의 형성 방법에서는 가열 온도가 높아 역시 유리 기판에 악영향을 준다. 또한, 특허문헌 1에 의한 방법에서는 불순물의 제거는 가능하지만, 결정 입경이 작아서 균일한 결정질막을 제조하는 것은 곤란하다. 또한, 특허문헌 2에 의한 방법에서는 결함의 배제에 의해서 결정질막의 결정성을 향상시키는 것은 가능하지만, 마찬가지로 결정 입경이 작아서 균일한 결정질막을 제조하는 것은 곤란하다.
최근에는, 배선폭이 더욱 작아짐과 아울러, TFT의 채널 형성 영역의 사이즈(채널길이, 채널폭)도 작아지고 있기 때문에, 평균 입경이 작고 안정한 결정질 반도체막을 기판 전역에 균일하게 제작할 수 있는 방법이 강하게 요구되고 있고, 특히 인접 영역의 TFT 특성의 차를 최소한으로 하는 결정화 기술이 요구되고 있다.
본 발명은, 상기 사정을 배경으로하여 이루어진 것이고, TFT의 채널 영역에 복수의 결정 입자가 존재할 수 있는 것과 같은, 평균 입자의 형태가 작은 결정질 반도체막을 균일하게 제작할 수 있는 결정질 반도체막의 제조 방법, 반도체결정화 장치 및 반도체막의 가열시 최적의 레이저 조사 조건을 용이하게 도출해내는 것이 가능한 반도체막의 가열 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 결정질 반도체막의 제조 방법 중, 제 1 본 발명은 비정질 반도체막을 상층에 갖는 유리 기판을 승온시켜서 가열상태를 유지하면서, 상기 유리 기판 상의 상기 비정질 반도체막에 펄스 레이저광을 조사하여 상기 비정질 반도체막을 융점을 초과하지 않는 온도로 가열하여, 상기 비정질 반도체막을 결정화시키는 것을 특징으로 한다.
제 2 본 발명의 결정질 반도체막의 제조 방법은, 제 1 본 발명에 있어서, 상기 유리 기판의 승온은 히터에 의한 가열에 의해서 행해지는 것을 특징으로 한다.
제 3 본 발명의 결정질 반도체막의 제조 방법의 발명은, 상기 제 1 또는 제 2 본 발명에 있어서, 상기 유리 기판의 승온은 히터에 의한 가열에 의해서 행해지는 것을 특징으로 한다.
제 4 본 발명의 결정질 반도체막의 제조 방법의 발명은, 상기 제 1 또는 제 2 본 발명에 있어서, 상기 유리 기판은 단계적인 온도로 승온 및 온도 유지를 행하면서 상기 유지 온도로 승온시키는 것을 특징으로 한다.
제 5 본 발명의 결정질 반도체막의 제조 방법은 상기 제 1 또는 제 2 본 발명에 있어서, 상기 펄스 레이저광은 엑시머 레이저 발진 장치, YAG 레이저 발진 장치의 펄스 레이저를 광원으로 하는 것을 특징으로 한다.
제 6 본 발명의 결정질 반도체막의 제조 방법은 상기 제 1 또는 제 2 본 발명에 있어서, 반도체막에 가열용 레이저광을 조사하여 상기 반도체막을 가열할 때, 상기 레이저 조사 중에 상기 반도체막의 표면으로 가시광의 진단용 프로브 레이저광을 입사하고, 상기 프로브 레이저광에 의한 반도체막으로부터의 반사광을 검출하고, 상기 검출 결과에 근거하여 상기 레이저 처리에 있어서 전기 반도체가 융점을 초과하지 않는 온도로 가열되도록 상기 가열용 레이저광의 조사 조건을 도출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제 7 본 발명의 반도체막의 가열 제어 방법은, 상기 제 6 본 발명에 있어서, 반도체막에 가열용 레이저광원으로부터 출력되는 가열용 레이저광을 조사하여 상기 반도체막을 가열할 때, 상기 레이저 조사 중에 상기 반도체막의 표면으로 진단용 레이저광원으로부터 출력되는 가시광의 진단용 프로브 레이저광을 입사하고, 상기 프로브 레이저광에 의한 반도체막으로부터의 반사광을 반사광 검출부로 검출하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 결정질 반도체막의 제조 방법에 따르면, 유리 기판을 가열하는 경우에도, 유리 기판에 데미지를 주지 않는 온도로 승온하여 가열 유지할 수 있고, 이 상태를 유지한 채, 레이저 처리에 의해서 표면의 비정질 반도체막만을 용융하지 않는 온도로 단시간 가열하여 비정질 반도체를 결정화시킬 수 있다. 이것에 의해서, 유리 기판의 변위(휨·변형·내부응력)를 억제하여 유리 기판에 데미지를 주지않고 결정 입경이 작고 균일한 고품질의 다결정 반도체기판을 얻을 수 있다. 또한, 유리 기판을 예비가열하지 않고 비정질 반도체막에 레이저광을 조사하여 융점 이하의 온도로 결정화시키는 것도 가능하다.
또한, 유리 기판의 승온 및 가열 유지는, 유리의 연화점을 초과하지 않거나 또는 연화점을 초과하더라도 초과 온도폭이 작은 것이 바람직하고, 또한, 유리 기판의 연화 온도를 초과하지 않는 것이 한층 바람직하다. 이것에 의해서 유리 기판의 변위를 억제할 수 있다.
유리 기판의 승온은 각종 가열 기구 등에 의해서 행해질 수 있고, 본 발명으로서는 특정한 것에 한정되지 않지만, 유리 기판측을 히터의 전열에 의해 가열하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유리 기판은 단계적인 온도로 승온 및 온도 유지를 행하면서 상기 유지 온도까지 승온시키는 것이 바람직하다. 이것에 의해서 유리 기판의 온도의 균일화를 도모하고, 가열에 의한 변위를 최소한으로 억제할 수 있다.
또한, 레이저광은 유리 기판을 될 수 있는 한 가열하지 않도록 비정질 반도체에 대해 흡수가 좋은 특성인 것이 바람직하고, 예컨대 적절한 파장영역의 레이저광의 선정을 행한다. 상기 레이저광의 광원은, 본 발명으로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 엑시머 레이저 발진 장치, YAG 레이저 발진 장치 등의 펄스 레이저를 광원으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 레이저광의 조사에는 레이저광의 조사 전에 유리 기판이 가열 유지되어 있기 때문에, 레이저광의 광원 에너지 변동 폭을 겉보기상보다 균일하게 할 수 있고, 레이저광의 쇼트(shot)마다의 온도변동을 균일하게 한다. 이 작용을 확실하게 얻기 위해서는 유리 기판의 가열 유지를 적절하게 하는 것이 바람직하다. 유리 기판의 재질에 의해서도 좌우되지만, 일반적으로는 유리 기판을 (연화온도:600℃) 이상으로 가열 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 레이저광의 조사에 의해서 결정 결함을 제거하고, 또한 레이저 조사에 의해서 유기물은 분해되고, 비정질 반도체막 내에 내재하는 불순물이나 표면에 부착되어 있는 오염을 제거하는 작용이 얻어진다.
또한, 반도체막의 가열 제어 방법 및 결정화 장치에 따르면, 프로브 레이저광에 의한 반사광이 검지되어서 레이저광의 조사 조건의 설정에 이용할 수 있다.
종래는, 기판온도, 반도체의 두께, 반도체내 불순물 함유량 등에 의해서 레이저의 조사 조건이 달라지기 때문에, 반도체막의 레이저 가열시의 최적 에너지 밀도(F)를 얻기 위해서 에너지 밀도의 값을 바꾸어 1쇼트마다 반도체표면에 조사하거나, 또는 최적조사횟수(T)를 얻기 위해서 복수회연속으로 조사하고, 조사후, 주사형 전자현미경(SEM) 등의 기판관찰이나 X-선 회절 등의 파괴 검사에 의해서, 조사 조건(F) 또는 (T)를 결정하는 것이 필요하다. 이러한 방법에는, 최적인 조사 조건을 찾아내는 작업은 시간이 걸려, 효율이 대단히 나쁘다.
본 발명에 있어서는, 반도체표면으로부터의 반사율을 리얼타임으로 검출하는 방법으로 비파괴 검사를 실시하지 않고, 레이저 조사 조건을 결정할 수 있다. 즉, 반도체의 융점을 초과하지 않는 온도까지 반도체를 가열하는 것이 제어가능하다.
이 방법은 용융된 실리콘의 반사율은 가시광의 반사율이 고체 실리콘의 반사율보다 수10% 높은 현상을 이용한 것으로, 고상으로부터 액상으로, 또는 액상으로부터 고상으로의 전위를 용이하게 관측할 수 있다. 즉, 이 방법을 이용하면, 레이저광의 조사 조건으로서 용융 개시의 임계 조사 에너지 밀도(Fth)나 용융 개시의 임계 조사 횟수(Tth)를 용이하게 알 수 있다. 본 발명에서는, 예컨대 F<Fth[용융 임계값(Fth):용융 개시의 조사 에너지 밀도] 및 T<Tth[용융 임계값(Tt):용융 개시의 조사 횟수]를 동시에 만족시키도록 조사 조건을 설정할 수 있다. 또한, 반사광의 검지는 적당한 광 다이오드 등을 이용할 수 있지만, 본 발명으로서는 특정한 것에 한정되는 것은 아니고, 반사광의 광량을 절대적 또는 상대적으로 측정할 수 있는 것이면 좋다.
레이저광의 조사 조건은 가열용 레이저 광원에 반영시켜서 레이저 광원의 제어를 행할 수 있다. 예컨대, 레이저광의 에너지 밀도는 레이저광 출력의 조정이나 집광의 정도 등에 의해서 조정할 수 있다.
상기 설명된 바와 같이, 본 발명의 결정질 반도체막의 제조 방법에 따르면, 바람직하게는 비정질 반도체막을 상층에 갖는 유리 기판을 승온시켜 가열 상태를 유지하면서, 유리 기판의 상층에 있는 비정질 반도체막에 레이저광을 조사하고, 상기 비정질 반도체막을 융점을 넘지 않는 온도로 가열하여, 상기 비정질 반도체막을 결정화시키므로 유리 기판에 데미지를 주지않고, 기판 상의 결정 입경이 작아서 균일한 결정질 반도체막을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 반도체막의 가열 제어 방법에 따르면, 반도체막에 가열용 레이저광을 조사하여 상기 반도체막을 가열할 때, 상기 레이저 처리 중에 상기 반도체막의 표면으로 가시광의 진단용 프로브 레이저광을 입사하고, 상기 프로브 레이저광에 의한 반도체막으로부터의 반사광을 검출하고, 상기 검출 결과에 근거하여 상기 레이저 처리에 있어서 상기 반도체막이 융점을 초과하지 않는 온도로 가열되도록 상기 가열용 레이저광의 조사 조건을 도출함으로써, 레이저의 최적 조사 조건을 용이하게 결정할 수 있고, 작업이 간략화되어 효율이 좋아지는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 반도체결정화 장치에 따르면, 반도체막에 가열용 레이저광을 조사하는 가열용 레이저 광원, 상기 가열용 레이저 광원의 조사 조건을 설정하는 가열용 레이저광 제어부, 상기 반도체막에 가시광의 진단용 프로브 레이저광을 조사하는 진단용 레이저 광원, 및 상기 진단용 프로브 레이저광이 반도체막으로 반사된 반사광을 검출하는 반사광검출부를 구비함으로써, 상기 레이저의 조사 조건의 설정을 반사광검출부에 의한 검출 결과를 받아서 용이하게 실행할 수 있다. 상기 설정은 가열용 레이저 광원 등에 반영시켜 최적의 레이저 조사 조건에 의해서, 반도체막의 결정화를 융점을 초과하지 않는 온도로 가열하여 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 사용되는 엑시머 레이저 어닐링 처리 장치를 나타내는 종단면도이다.
도 2는 마찬가지로, 제 1 실시형태에 있어서의 히터 패턴을 나타내는 도이다.
도 3은 마찬가지로, 다른 실시 형태에 있어서의 엑시머 레이저 어닐링 처리 장치를 나타내는 횡단면도이다.
도 4는 마찬가지로, 실시예에 있어서의 히터 패턴을 나타내는 도이다.
도 5는 마찬가지로, 실시예와 종래예에 있어서의 결정화된 반도체막을 나타내는 도면대용의 주사형 전자현미경 사진이다.
도 6은 마찬가지로, 다른 실시예에 있어서의 쇼트마다의 진단용 탐침 레이저광에 의한 반사광량을 나타내는 도이다.
(실시형태 1)
이하에, 본 발명의 제 1 실시형태를 도 1에 근거하여 설명한다.
이 실시 형태의 결정질 반도체막의 제조 방법에서는, 플랫 패널 디스플레이 TFT 장치에 사용되는 기판을 대상으로 하고, 상기 기판 상에 아모르퍼스 실리콘 박막이 형성되어 있는 것이다. 단, 본 발명으로서는, 대상이 되는 기판 및 이것에 형성된 비정질 반도체의 종별이 이것에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 결정질 반도체막의 제조 방법에 사용되는 엑시머 레이저 어닐링 처리 장치(1)를 나타내는 것이다. 즉, 상기 엑시머 레이저 어닐링 처리 장치(1)는 어닐링 챔버(2)와 어닐링 챔버(2) 외부의 KrF 엑시머 레이저 발생부(3a)를 갖고 있다. 어닐링 챔버(2)의 상방부에는 내측을 향한 레이저 조사부(3c)가 설치되어 있고, 상기 KrF 엑시머 레이저 발생부(레이저 광원)(3a)와 상기 레이저 조사부(3c)는 레이저 전송계(3b)에 의해서 연결되어 있으며, 이들 KrF 엑시머 레이저 발생부(3a), 레이저 전송계(3b), 레이저 조사부(3c)에 의해서 레이저 조사 장치가 구성되어 있다. KrF 엑시머 레이저는 파장이 248nm의 UV광이다.
또한, 어닐링 챔버(2)의 내부에는 상기 레이저 조사부(3c)의 레이저 조사 방향에 기판재치대(4)가 배치되고 있고, 상기 기판재치대(4)의 하방에는 상기 기판재치대(4)에 내장되는 형태로 가열 기구인 히터(5)가 설치되어 있다. 기판재치대(4)의 주위에는 프레임상의 단열 커버(7)가 배치되어 있고, 상기 단열 커버(7)에 접해서 동일한 프레임상의 반사판(6)이 단열 커버(7) 상에 설치되어 있다. 반사판(6)의 내측벽면은 내측 하방으로 경사되어 있어, 내부의 방사열을 반사해서 반사판(6)의 내측을 고온으로 유지할 수 있다.
다음에, 상기 레이저 어닐링 처리 장치(1)를 사용한 박막의 제조 방법을 설명한다.
유리제의 기판(8)의 표면에는 통상의 방법에 의해서 비정질 실리콘 박막(9)이 막두께 50nm로 형성되어 있다. 상기 기판(8)을 상기 기판재치대(4) 상에 재치한다. 이어서, 어닐링 챔버(2) 내를 대기압정도의 압력으로 하여 질소를 퍼지해서 질소분위기로 하고, 히터(5)에 통전하여, 기판재치대(4)로부터의 열전도에 의해서 기판(8)을 가열한다. 이 때, 도 2에 예를 나타낸 것과 같이, 기판(8)을 단계적인 온도로 승온, 등온 유지하면서 소정의 유지 온도까지 승온시키는 것이 바람직하고, 유지 온도는 바람직하게는 기판(8)의 연화 온도 이하로 한다. 이 때, 기판(8)의 승온에 의해서 비정질 실리콘 박막(9)도 전열이나 복사열(반사판(6)에 의한 반사열도 포함)에 의해서 승온한다.
기판(8)을 소정의 온도로 유지한 상태로 엑시머 레이저 발생부(3a)에서 발생시킨 엑시머 레이저 광을 엑시머 레이저 전송계(3b)를 통해서 레이저 조사부(3c)에 전송하고, 상기 조사부(3c)에서 비정질 실리콘 박막(9)를 향해서 엑시머 레이저광(10)을 조사한다. 이 조사에 의해서 기판(8) 상의 비정질 반도체박막(9)만이 가열되어 다결정화된다. 이 때, 반도체박막(9)의 가열 온도는 그 융점을 초과하지 않는 온도로 한다. 그 후에, 바람직하게는 도 2에 예를 나타낸 것과 같이, 단계적으로 항온, 등온 유지하면서 냉각한다. 그 결과 얻어진 다결정 반도체박막은 결정 입경이 균일하고, 또한 작아서 양질의 결정성을 갖고 있다.
이 결정질 반도체막은 유기EL 디스플레이에 바람직하게 사용될 수 있다. 단, 본 발명으로서는 사용 용도가 이것에 한정되는 것은 아니고, 그 밖의 액정 디스플레이나 전자재료로서 이용하는 것이 가능하다.
(실시형태 2)
다음에, 진단용 프로브 레이저광의 조사 및 검출을 가능하게 하는 엑시머 레이저 어닐링 처리 장치의 실시형태에 대해서 도 3에 근거하여 설명한다. 또한, 이 실시형태 2에 있어서 상기 실시형태 1과 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 설명을 생략 또는 간략화한다.
상기 엑시머 레이저 어닐링 처리 장치(20)에서는 어닐링 챔버(22)의 외부에 KrF 엑시머 레이저 발생부(가열용 레이저 광원)(23a)가 설치되어 있고, 상기 KrF 엑시머 레이저 발생부(23a)의 조사 방향에는 제 1 하프미러(23b), 제 2 하프미러(23c)가 배치되어 있고, 제 2 하프미러(23c)에서 반사된 레이저광(10)이 렌즈(23d)를 통하여 어닐링 챔버(22)의 레이저 조사부(23e)에 조사되도록 구성되어 있고, 또한, 그 조사 방향 선방에 비정질 실리콘 박막(9)을 표면에 형성한 기판(8)이 배치된다. 또한, 제 1 하프미러(23b)의 반사측에 에너지 미터(25a)가 배치되어 KrF 엑시머 레이저 발생부(23a)의 출력 검지가 가능하고, 상기 검지 결과는 출력 표시부(25b)에 표시 가능하게 되어 있다. 또한, 제 2 하프미러(23c)의 투과측에는 트리거 신호용 바이플래너 광전관(26)이 배치되어 있고, KrF 엑시머 레이저 발생부(23a)로부터의 레이저광 출력의 검지를 반사광 검지용 트리거 신호로 사용하는 것이 가능하게 된다.
또한, 어닐링 챔버(22)의 외부에는 가시광의 진단용 프로브 레이저광을 조사가능한 진단용 레이저 발생부(진단용 레이저 광원)(30)이 배치되어 있다. 상기 진단용 레이저 발생부(30)의 레이저광 조사 방향에는 어닐링 챔버(22)의 프로브 레이저광 조사부(27a)가 설치되어 있고, 또한, 그 조사 방향에 반도체막(9)이 표면에 형성된 상기 기판(8)이 위치한다. 상기 반도체막(9)에 의한 반사광은 어닐링 챔버(22)의 반사광 출사부(27b)로 진행하여 어닐링 챔버(22) 외부로 출사되도록 구성되어 있고, 그 출사 방향 광로에는 미러(31a), 렌즈(31b)가 배치되고, 또한 상기 광로의 선측에 광 다이오드 등에 의해서 구성되는 광 튜브형의 반사광 검출기(32)가 배치되어 있다. 상기 미러(31a), 렌즈(31b), 반사광 검출기(32)에 의해서 본 발명의 반사광 검출부가 구성되어 있다.
다음에, 상기 실시형태에 있어서의 엑시머 레이저 어닐링 처리 장치(2O)의 동작에 대해서 설명한다.
어닐링 챔버(22) 내에는 상기한 기판(8)이 비정질 실리콘박막(9)을 상면으로 해서 설치되고, 상기 실시형태 1과 동일하게 어닐링 챔버(22) 내의 분위기 조정을 행함과 아울러 도시되지 않은 가열 기구에 의해서 상기 기판(8)을 가열한다. KrF 엑시머 레이저 발생부(23a)로부터는 가열용 엑시머 레이저광이 출력되고, 제 1 하프미러(23b), 제 2 하프미러(23c), 렌즈(23d)를 통하여 레이저 조사부(23e)로부터 어닐링 챔버(22) 내에 도입되고, 어닐링 챔버(22) 내의 비정질 실리콘박막(9)에 조사되는 상기 가열용 엑시머 레이저광은 제 1 하프미러(23b)에서 일부가 반사되어 에너지 미터(25a)에 의해서 에너지가 측정되고, 측정 결과가 출력표시부(25b)에 표시된다. 또한, 제 2 하프미러(23c)에서는 레이저광의 일부가 투과되고, 트리거 신호용 바이플래너 광전관(26)으로 검지되고, 이것을 트리거 신호로서 진단용 레이저 발생부(30)를 동작시켜 가시광의 진단용 레이저를 출력한다. 진단용 레이저 발생부(30)로부터 출력된 프로브 레이저광(30a)은 프로브 레이저광 조사부(27a)를 통해서 어닐링 챔버(22) 내의 상기 비정질 실리콘박막(9)에 조사되고, 상기 비정질 실리콘박막(9)으로 반사된 반사광(30b)은 반사광 출사부(27b)를 통해서 어닐링 챔버(22) 외부로 출사된다. 또한, 반사광(30b)은 미러(31a), 렌즈(31b)를 통해서 반사광 검출기(32)로 광량이 검출된다. 상기 진단용 레이저광의 출력 및 검출은 상기 가열용 레이저광(10)에 의한 가열 처리와 동시기에 리얼타임으로 행해진다.
상기 검출에 있어서는 KrF 엑시머 레이저 발생부(23a)에 의한 가열용 레이저광의 에너지 밀도나 쇼트수를 바꾸고, 반사광(30b)의 검출 광량의 변화를 관찰한다. 이 관찰에 있어서, 검출 광량이 현저하게 증가하면 비정질 실리콘박막(9)에 있어서의 고상으로부터 액상으로의 전위라고 판정되고, 검출 광량이 현저하게 감소하면 액상으로부터 고상으로의 전위라고 판정된다. 이것에 의해서 비정질 실리콘박막(9)이 융점을 초과하지 않는 온도로 가열되기 위한 가열용 레이저광(10)의 조사 조건을 설정할 수 있다. 이 설정된 조사 조건에 의해서, 비정질 실리콘박막을 순차 처리함으로써 최적인 처리 조건으로 효율적으로 반도체박막의 결정화 처리를 행하는 것이 가능하게 된다.
이상, 상기 각각의 실시형태에 근거해서 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 상기 각각의 실시형태의 내용에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 범위에서 적당한 변경이 가능하다.
실시예 1
이하에, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.
상기 실시형태에 나타낸 결정화 처리 장치를 이용하여, 유리 기판에 비정질 실리콘박막(융점 1200℃)이 막두께 50nm로 형성된 공시재를 준비했다.
우선, 유리 기판에 휘어짐이 생기지 않도록 하기 위해서 도 4에 나타내어진 것과 같이, 히터에 의해서 실온으로부터 400℃까지의 범위를 100℃/분의 가열 속도로 승온시킨 후, 5분간 유지했다. 그 후 50℃/분의 가열 속도로 500℃ 또는 650℃까지 승온하여 유지했다. 상기의 방법에 의해서, 유리 기판(8)의 온도를 500℃ 또는 650℃정도로 제어하면서 10분간 유지하면서, 레이저 조사부(3c)에서 기판(8)을 향해서 펄스 상의 엑시머 레이저광(10)을 30쇼트 조사했다. 기판(8) 상의 비정질 반도체박막은 850~1000℃로 가열되어 다결정화되었다. 레이저 조사후에는 50℃/분의 냉각 속도로 400℃까지 냉각한 후 400℃에서 5분간 유지하고, 그 후, 실온까지 100℃/분의 냉각 속도로 냉각했다(도 4참조).
또한, 다른 실험예로서, 실온으로부터 350℃까지 100℃/분의 가열 속도로 승온시킨 후 10분간 유지하면서, 기판을 향해서 동일하게 펄스 상의 엑시머 레이저광 10을 30쇼트 조사했다. 이것에 의해서 기판(8) 상의 비정질 반도체박막은 다결정화되었다. 레이저광 조사후에는, 기판을 상온까지 100℃/분의 냉각 속도로 냉각했다. 각각의 실험예에 있어서의 레이저광의 에너지 밀도는 표 1에 나타내어진 것과 같이 조정했다.
얻어진 결정 입자의 측정 결과를 표 1에 나타내었다. 각각의 기판온도에 있어서, 어떤 에너지 밀도 이상이 되면 X-선 회절에 있어서 결정성을 나타내는 (111) 배향의 피크가 얻어졌다.
또한, 얻어진 결정 입자의 주사형 전자현미경(SEM) 관찰로부터는 어떤 에너지 밀도가 되면, 고상성장의 결정(SPC)이 아닌 용융·재결정화하는 통상의 레이저 어닐링의 결정이 되는 것을 확인했다. 또한, 본 실시예로 얻어진 고상성장에 의한 결정과 통상의 레이저 어닐링에 의한 용융·재결정화한 결정의 SEM 사진을 도 5에 나타내었다.
이와 같이 얻어진 다결정 반도체박막은 조건에 의해서 결정 입경의 불균일이 적고, 면전체로 균질하게 다결정화되며, 게다가 양질의 다결정 반도체박막을 얻을 수 있었다. 어떠한 기판온도의 조건에 있어서도, 적어도 30mJcm- 2이상의 에너지 마진이 얻어졌다.
또한, 미리 비정질 실리콘이 완전히 용해되는 조건인 Secco용액에 의한 에칭(21초간)에 있어서 변화가 없었기 때문에, 얻어진 반도체막은 결정성을 갖고 있는 것도 확인할 수 있다. 이것은 Secco용액의 비정질 실리콘과 결정 실리콘에 대한 에칭 레이트의 비율이 극단적으로 다른 것을 이용하고 있다. 일반적으로 결정 실리콘의 에칭 레이트는 깊이 방향으로 수Å/sec오더이며, 50nm의 막두께의 결정 실리콘을 용융하는데 수분이 필요하다.
본 발명에 따르면, 결정 입자가 1OOnm이하로 작은 결정질 반도체막이 균일하게 얻어지기 때문에, TFT 특성의 불균일이 적은 반도체막이 제공될 수 있는 것이 명확해졌다.
Figure pat00001
실시예 2
다음에, 상기 실시형태와 동일하게 실리콘 막두께:50nm의 비정질 실리콘박막을 준비하고, 상기 실시형태 2의 장치를 이용하여 실리콘기판 온도를 500℃로 하고, 조사 에너지 밀도를 70, 80, 90, 10OmJ/cm2로 변화시키고, 1쇼트마다의 반사광 검출기에 의해서 반사광량을 검출하고, 그 결과를 도 6에 나타냈다.
90mJ/cm2까지의 조사 에너지 밀도에서는 반사광 강도의 변화는 거의 보이지 않지만(노이즈레벨), 10OmJ/cm2에서 약 20mV의 변화가 관찰되었다. 즉, 이 조건(기판)에서의 용융 임계값(Fth)은 9OmJ/cm2<Fth<1OOmJ/cm2의 범위이고, 최적의 에너지 밀도(F)는 9OmJ/cm2인 것을 판단할 수 있고, 최적인 에너지 조사 조건(조사 에너지 밀도)이 용이하게 판명됐다.
1:엑시머 레이저 어닐링 처리 장치 2:어닐링 챔버
3a:엑시머 레이저 발생부 3b:엑시머 레이저 전송계
3c:레이저 조사부 4:기판재치대
5:히터 6:반사판
8:기판 9:비정질 실리콘 박막
10:레이저광 20:엑시머 레이저 어닐링 처리 장치
22:어닐링 챔버 23a:엑시머 레이저 발생부
30:진단용 레이저 발생부 32:반사광검출기

Claims (7)

  1. 비정질 반도체막을 상층에 갖는 유리 기판을 승온시켜서 가열상태를 유지하면서, 상기 유리 기판 상의 상기 비정질 반도체막에 펄스 레이저광을 조사하여 상기 비정질 반도체막을 융점을 초과하지 않는 온도로 가열하여, 상기 비정질 반도체막을 결정화시키는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체막의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유리 기판의 가열 상태의 유지는 상기 유리 기판의 연화 온도를 초과하지 않는 온도로 행해지는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체막의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유리 기판의 승온은 히터에 의한 가열에 의해서 행해지는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체막의 제조 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유리 기판은 단계적인 온도로 승온 및 온도 유지를 행하면서 상기 유지온도로 승온시키는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체막의 제조 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저광은 엑시머 레이저 발진 장치, YAG 레이저 발진 장치의 펄스 레이저를 광원으로 하는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체막의 제조 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    반도체막에 가열용 레이저광을 조사하여 상기 반도체막을 가열할 때, 상기 레이저 조사 중에 상기 반도체막의 표면으로 가시광의 진단용 프로브 레이저광을 입사하고, 상기 프로브 레이저광에 의한 반도체막으로부터의 반사광을 검출하고, 상기 검출 결과에 근거하여 상기 레이저 조사에 있어서 상기 반도체막이 융점을 초과하지 않는 온도로 가열되도록 상기 가열용 레이저광의 조사 조건을 도출하는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체막의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    반도체막에 가열용 레이저광원으로부터 출력되는 가열용 레이저광을 조사하여 상기 반도체막을 가열할 때, 상기 레이저 조사 중에 상기 반도체막의 표면으로 진단용 레이저광원으로부터 출력되는 가시광의 진단용 프로브 레이저광을 입사하고, 상기 프로브 레이저광에 의한 반도체막으로부터의 반사광을 반사광 검출부로 검출하는 것을 특징으로 하는 결정질 반도체막의 제조 방법.
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