KR20120082022A - 비-주기적 펄스 부분 용융 막가공을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

비-주기적 펄스 부분 용융 막가공을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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제임스 에스 임
유이강 덩
충잉 후
유진 정
알렉산더 비 리마노브
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더 트러스티이스 오브 콜롬비아 유니버시티 인 더 시티 오브 뉴욕
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Abstract

하나의 관점에 있어서, 본 명세서는 박막을 제1선택방향으로 전진시키면서, 상기 박막의 제1영역을 제1레이저 펄스 및 제2레이저 펄스로 조사하는 단계로서, 각 레이저 펄스는 형상화된 빔을 제공하고 상기 박막을 부분적으로 용융시키기에 충분한 플루언스를 가지며, 상기 제1영역은 재고화되고 결정화되어 제1결정화 영역을 형성하는 것인, 제1 및 제2레이저 펄스 조사단계; 및 상기 박막의 제2영역을 제3레이저 펄스 및 제4레이저 펄스로 조사하는 단계로서, 각 펄스는 형상화된 빔을 제공하고 상기 박막을 부분적으로 용융시키기에 충분한 플루언스를 가지며, 상기 제2영역은 재고화되고 결정화되어 제2결정화 영역을 형성하는 것인 제3 및 제4레이저 펄스 조사단계를 포함하되, 상기 제1레이저 펄스와 상기 제2레이저 펄스 사이의 시간 간격이 상기 제1레이저 펄스와 상기 제3레이저 펄스 사이의 시간 간격의 절반 미만인 박막의 가공방법에 관한 것이다.

Description

비-주기적 펄스 부분 용융 막가공을 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR NON-PERIODIC PULSE PARTIAL MELT FILM PROCESSING}
관련 출원에 대한 상호참조
본 출원은 미국 특허출원 제61/264082호(출원일: 2009년 11월 24일, 발명의 명칭: "Systems and Methods for Advanced Excimer Laser Annealing"); 미국 특허출원 제61/286643호(출원일: 2009년 12월 15일, 발명의 명칭: "Systems and Methods for Advanced Excimer Laser Annealing"); 미국 특허출원 제61/291488호(출원일: 2009년 12월 31일, 발명의 명칭: "Systems and Methods for Advanced Excimer Laser Annealing"); 미국 특허출원 제61/257657호(출원일: 2009년 11월 3일, 발명의 명칭: "Method For Obtaining Uniformly Sized Small Grain Polycrystalline Silicon With Low Intragrain Defect-Density Films Through Partial Melt Crystallization"); 미국 특허출원 제61/257650호(출원일: 2009년 11월 3일, 발명의 명칭: "Method For Obtaining Uniformly Sized Small Grain Polycrystalline Silicon With Low Intragrain Defect-Density Films Through Complete Melt Crystallization"); 미국 특허출원 제61/291,663호(출원일: 2009년 12월 31일, 발명의 명칭: "Advanced Single-Scan SLS"); 미국 특허출원 제61/294,288호(출원일: 2010년 1월 12일, 발명의 명칭: "Sequential Firing SLS"); 미국 특허출원 제12/776756호(출원일: 2010년 5월 10일, 발명의 명칭: "Systems and Methods for Non-Periodic Pulse Sequential Lateral Solidification"); 및 PCT 국제특허출원 제PCT/US2010/033565호(출원일: 2010년 5월 4일, 발명의 명칭: "Systems and Methods for Non-Periodic Pulse Sequential Lateral Solidification")에 대한 우선권을 주장하며, 이들 명세서 전체는 명백하게 여기에 참고로써 포함된다.
본 명세서에 인용된 모든 특허, 특허출원, 특허공개문헌 및 간행물은 그들 전체로서 명백하게 본 명세서에 참고로써 포함된다. 본 출원의 교시와 상기 포함된 문헌의 교시 사이에 충돌이 있는 경우, 본원의 교시가 우선한다.
기술분야
본 발명은 박막의 가공방법, 해당 방법에 의해 제조된 박막, 해당 박막을 포함하는 소자 및 박막을 가공하기 위한 시스템에 관한 것이다.
반도체 가공 분야에 있어서, 얇은 무정형(혹은 비정질) 실리콘막을 다결정막으로 전환시키기 위한 다수의 기술이 기술되어 있다. 이러한 기술의 하나는 엑시머 레이저 어닐링(excimer laser annealing; "ELA")이다. ELA는 이들에 제한되지는 않으나 열에 취약한 기판(예를 들면, 유리 및 플라스틱) 등과 같은 기판 상에 균일한 결정립(crystal grain)을 갖는 다결정막을 생산할 수 있는 펄스 레이저 결정화 가공법이다. ELA 시스템 및 공정의 예가 공동으로-소유되었으며, 미국 공개 특허 제20090309104호(출원일: 2009년 8월 20일자, 발명의 명칭: "Systems and Methods for Creating Crystallographic-Orientation Controlled Poly-Silicon Films"); 미국 공개 특허 제20100065853호(출원일: 2009년 9월 9일자, 발명의 명칭: Process and System for Laser Crystallization Processing of Film Regions on a Substrate to Minimize Edge Areas, and Structure of Such Film Regions"); 및 미국 공개 특허 제20070010104호(출원일: 2006년 3월 9일, 발명의 명칭: "Process and Systems for Laser Crystallization Processing of Film Regions on a Substrate Utilizing a Line-Type Beam, and Structures of Such Film Regions")에 기술되어 있다.
통상의 ELA 도구는 펄스간 큰 중첩(예를 들면, 95%)으로 샘플의 표면 위로 낮은 속도로 연속적으로 스캔되는 단일 선형 빔(single line beam)을 사용하여 싱글 스캔 내의 단위 면적 당 다수의 펄스를 구축한다. 따라서, ELA에 있어서는, 상기 막의 영역은 엑시머 레이저로 조사되어 부분적으로 상기 막이 용융되고, 이는 후속적으로 결정화된다. 상기 막의 반복적인 부분적인 용융은 소립의(small-grained) 다결정막의 형성을 야기할 수 있으나; 그러나, 상기 방법은 종종 미세구조상의 불균일성을 초래하며, 이는 펄스 대 펄스 에너지 변동 및/또는 불균일한 빔 세기 프로파일에 의해 야기될 수 있다. 다수의 펄스는 보다 균일한 입자 크기를 야기하는 누적 효과를 유도하는 것뿐만 아니라 단축(short axis) 빔 엣지의 영향을 완화시키는 데에도 요구된다. 상기 빔의 빔 엣지 단편에 있어서, 에너지는 점진적으로 0까지 감소한다. 상기 막에서의 위치에 따라, 초기 펄스 에너지 시퀀스에서의 위치-의존적 편차가 발생할 수 있다. 이러한 편차는 후속의 ELA 가공에 의하여 쉽게 제거되지 않으며, 픽셀 휘도(pixel brightness)에서 아티펙트(artifacts)(즉, 무라(mura))가 야기될 수 있다. 도 1a는 ELA로 얻어질 수 있는 임의의 미세구조를 도시한다. Si 막은 수회 조사되어 균일한 입자 크기를 갖는 랜덤 다결정막을 생성한다. 도 1b는 통상의 ELA 싱글-스캔을 도시하고 있으며, 상기 빔(101)이 막(104)을 스캔함에 따라 그것의 단축 상에서의 상기 선형 빔(101)의 단면을 나타내고 있다. 상기 빔(101)은 화살표(102)의 방향으로 전진하고, 상기 막(104)의 영역(103)은 상기 빔(101)이 상기 막(104)을 가로질러 이동함에 따라 다중 레이저 펄스로 조사될 수 있다.
더욱이, 매우 높은 처리량(throughput)에서 균일한 입자 구조(uniform grain structure ; "UGS")를 얻기 위해 사용될 수 있는 결정화 방법 및 도구가 보고되었다. 예를 들면, 이러한 시스템은 미국 공개 특허 제20070010104호(발명의 명칭: "Processes and Systems for Laser Crystallization Processing of Film Regions on a Substrate Utilizing a Line-Type Beam, and Structures of Such Film Regions")에 기술되어 있다. UGS는 결정화되는 상기 막의 완전-용융 결정화(complete-melt crystallization; "CMC") 및/또는 부분-용융 결정화(partial-melt crystallization "PMC")를 포함할 수 있는 싱글 펄스 조사 공정이다. 상기 UGS 공정의 별도의 특징은 레이저 펄스의 위치-제어 소성(firing)이며, 부분 또는 완전 용융은 단지 픽셀 박막 트랜지스터(thin-film transistor; "TFT")의 행/열(columns/rows)이 머무르는 영역 내에서만 일어나도록 한다. 펄스들 사이의 스테핑(stepping) 거리가 상기 선형 빔의 폭을 초과하는 경우, 상기 막의 조사되지 않은 영역(예를 들면, 직접 증착된 무정형 Si(amorphous as-deposited Si)가 이러한 행들 사이에 잔류하게 된다. 따라서 이러한 선택-영역 결정화(selective-area crystallization ; "SAC") 공정은 단위 면적당 펄스의 평균 개수가 1 이하가 될 수 있기 때문에 매우 높은 처리량을 가질 수 있다.
그러나, 종래 기술의 도구들 중의 어느 것도, 예를 들면 저밀도의 픽셀들을 갖는 텔레비전에서 사용되는 것과 같은 매우 큰 막에 대한 ELA에 특히 최적화되어 있지는 않다. 통상의 ELA는 이러한 기판에 대하여는 비효율적인 공정이며, 여기에서는 픽셀 위치들 사이의 Si 기판을 결정화시키는 데에는 시간 및 자원이 낭비된다. 비록 UGS 도구가 이들 영역들을 건너뛰는 것을 허용하기는 하나, 얻어진 재료는 전형적인 ELA 재료보다 명백하게 더 불량이며, 또한 상기 재료의 균일성은 전형적인 조사 조건들이 사용되는 경우에 충분치 못할 수 있다.
레이저의 위치 제어 순차적 격발(triggering)을 사용하는 비-주기적 펄스 방법 및 도구가 기술된다. 상기 시스템은 결정화 공정에서 구분된, 즉 각 레이저 펄스가 별도의 부분 용융 및 고화(solidification) 사이클의 결과를 가져온다는 점에서 구분된 비-주기적 레이저 펄스를 생성하는 다중 레이저를 사용하여 시행될 수 있다. 다중 레이저는 협력(coordinated) 펄스 시퀀스에서 사용되어 싱글 스캔 또는 다중 스캔에서 막의 선택된 영역을 조사하고 결정화시킨다.
일 양상에 있어서, 본 발명은 박막을 제1선택방향으로 전진시키면서, 상기 박막의 제1영역을 제1레이저 펄스 및 제2레이저 펄스로 조사하는 단계로서, 각 레이저 펄스는 형상화된 빔을 제공하고 상기 박막을 부분적으로 용융시키기에 충분한 플루언스(fluence)를 가지며, 상기 제1영역은 재고화(re-solidifying)되고 결정화(crystallizing)되어 제1결정화 영역을 형성하는 것인, 제1 및 제2레이저 펄스의 조사단계; 및 상기 박막의 제2영역을 제3레이저 펄스 및 제4레이저 펄스로 조사하는 단계로서, 각 펄스는 형상화된 빔을 제공하고 상기 박막을 부분적으로 용융시키기에 충분한 플루언스를 가지며, 상기 제2영역은 재고화되고 결정화되어 제2결정화 영역을 형성하는 것인, 제3 및 제4레이저 펄스의 조사단계를 포함하되, 상기 제1레이저 펄스와 상기 제2레이저 펄스 사이의 시간 간격은 상기 제1레이저 펄스와 상기 제3레이저 펄스 사이의 시간 간격의 절반 미만인 박막의 가공방법에 관한 것이다.
일부 구체예에 있어서, 상기 제1레이저 펄스와 상기 제2레이저 펄스 사이의 시간 간격은 상기 박막의 단일 용융 및 고화 사이클에 대한 시간 간격보다 더 길다. 일부 구체예에 있어서, 상기 제1레이저 펄스 및 상기 제2레이저 펄스 각각은 동일한 에너지 밀도를 가지며, 상기 제1레이저 펄스 및 상기 제2레이저 펄스 각각은 서로 다른 에너지 밀도를 가지고, 상기 제1레이저 펄스 및 상기 제2레이저 펄스 각각은 상기 박막의 동일한 정도의 용융을 달성하거나 및/또는 상기 제1레이저 펄스 및 상기 제2레이저 펄스 각각은 상기 박막의 서로 다른 정도의 용융을 달성한다. 일부 구체예에 있어서, 상기 박막은 선재성 결정자(pre-existing crystallite)가 없는 무정형 실리콘막이 될 수 있다. 일부 구체예에 있어서, 상기 제1레이저 펄스는 상기 무정형 실리콘막을 용융시키고, 결함성 코어 영역을 갖는 결정 구조를 형성하기에 충분한 에너지 밀도를 갖는다. 일부 구체예에 있어서, 상기 제2레이저 펄스는 상기 결함성 코어 영역을 재용융시키고 균일한 미립자의 결정막을 형성하기에 충분한 에너지 밀도를 갖는다.
일부 구체예에 있어서, 상기 박막은 무정형 실리콘막이 될 수 있다. 일부 구체예에 있어서, 상기 박막은 저압 화학기상증착, 플라즈마 촉진 화학기상증착, 스퍼터링(sputtering) 및 전자선 증착 중의 하나를 사용하여 증착될 수 있다.
일부 구체예에 있어서, 상기 박막은 가공된 실리콘막이 될 수 있다. 일부 구체예에 있어서, 상기 가공된 실리콘막은 선재성 결정자가 없는 무정형 실리콘막이며, 후속하여 상기 무정형 실리콘막을 제2선택방향으로 전진시키면서, 상기 무정형 실리콘막을 부분적으로 용융시키기에 충분한 플루언스를 갖는 연장된 레이저 펄스로 상기 무정형 실리콘막을 조사하는 단계를 포함하는 방법에 따라서 가공된다.
일부 구체예에 있어서, 상기 연장된 레이저 펄스는 다수의 레이저 공급원으로부터 레이저 펄스의 순차적 중첩에 의해 생성되며, 펄스들 간의 지연은 단일 용융 및 고화 사이클을 유도하기에 충분히 짧다. 일부 구체예에 있어서, 상기 무정형 실리콘막은 플라즈마 촉진 화학기상증착을 통해 얻어진다. 일부 구체예에 있어서, 상기 연장된 레이저 펄스는 300㎱ 초과 반치폭(full width half maximum)의 펄스 길이를 가질 수 있다.
일부 구체예에 있어서, 상기 가공된 실리콘막은 상기 실리콘막을 제2선택방향으로 전진시키면서, 상기 실리콘막을 완전히 용융시키기에 충분한 플루언스를 갖는 레이저 펄스로 상기 실리콘막을 조사하는 단계를 포함하는 방법에 따라 가공된 실리콘막이다. 일부 구체예에 있어서, 상기 레이저 펄스는 다수의 레이저 공급원으로부터 레이저 펄스의 중첩에 의해 생성된다.
일부 구체예에 있어서, 상기 방법은, 상기 박막을 제2선택방향으로 전진시키면서, 상기 박막의 제3영역을 제5레이저 펄스 및 제6레이저 펄스로 조사하는 단계로서, 각 레이저 펄스는 형상화된 빔을 제공하고 상기 박막을 부분적으로 용융시키기에 충분한 플루언스를 가지며, 상기 제3영역은 재고화되고 결정화되어 제3결정화영역을 형성하는 것인, 제5 및 제6레이저 펄스의 조사단계, 및 상기 박막의 제4영역을 제7레이저 펄스 및 제8레이저 펄스로 조사하는 단계로서, 각 펄스는 형상화된 빔을 제공하고 상기 박막을 부분적으로 용융시키기에 충분한 플루언스를 가지며, 상기 제4영역은 재고화되고 결정화되어 제4결정화영역을 형성하는 것인, 제7 및 제8레이저 펄스의 조사단계를 포함하며, 여기서 상기 제5레이저 펄스와 상기 제6레이저 펄스 사이의 시간 간격은 상기 제5레이저 펄스와 상기 제7레이저 펄스 사이의 시간 간격의 절반 미만이다. 일부 구체예에 있어서, 상기 제2선택방향은 상기 제1선택방향에 대향되고, 상기 제3영역은 상기 제2영역과 중첩되며, 상기 제4영역은 상기 제1영역과 중첩된다.
일부 구체예에 있어서, 상기 제2선택방향은 상기 제1선택방향과 동일하며, 상기 제3영역은 상기 제1영역과 중첩하고, 상기 제4영역은 상기 제2영역과 중첩한다. 일부 구체예에 있어서, 상기 방법은 상기 제2선택방향으로 상기 박막을 전진시키기에 앞서 상기 박막을 상기 제1선택방향에 대하여 수직인 방향으로 이동시키는 단계를 포함한다. 일부 구체예에 있어서, 각 레이저 펄스는 균일한 에너지 밀도를 갖는 상부를 갖는 선형 빔이 될 수 있다. 일부 구체예에 있어서, 각 레이저 펄스는 투광(flood) 조사 펄스가 될 수 있다.
본 명세서의 다른 관점은 상기 방법에 따라 가공된 박막에 관한 것이다. 본 상세한 설명의 또 다른 관점은 상기 방법에 따라 가공된 박막을 갖는 소자에 관한 것이며, 상기 소자는 상기 박막의 다수의 결정화영역 내에 위치되는 다수의 전자회로를 포함한다. 일부 구체예에 있어서, 상기 소자는 디스플레이 소자가 될 수 있다.
하나의 관점에 있어서, 본 명세서는 비주기적 레이저 펄스를 사용하여 박막을 가공하는 시스템에 관한 것이며, 레이저 펄스를 생성하기 위한 1차 및 2차 레이저 공급원; 기판 상에 박막을 고정시키기 위한 작업표면; 상기 박막을 상기 빔 펄스에 대하여 이동시키고 그에 의하여 상기 박막의 표면 상에 상기 레이저 빔 펄스의 전개 방향을 형성시키기 위한 스테이지; 및 스테이지 동기화 레이저 펄스화를 위한 처리 명령(processing instruction)를 위해, 1차 공급원으로부터의 제1레이저 펄스에 의하여 조사될 이동가능한 스테이지 내에 적재된 박막의 제1영역, 2차 공급원으로부터의 제2레이저 펄스에 의하여 조사되는 상기 박막의 제2영역 및 상기 1차 공급원으로부터의 제3레이저 펄스에 의하여 조사되는 상기 박막의 제3영역을 제공하는 컴퓨터를 포함하며, 여기서 처리 명령은 상기 전개방향으로 빔 펄스에 대하여 막을 이동시켜 제1, 제2및 제3영역을 조사하도록 제공되며, 상기 제1영역의 중심과 상기 제2영역의 중심 사이의 거리는 상기 제1영역의 중심과 상기 제3영역의 중심 사이의 거리의 절반 미만이며, 상기 제1, 제2및 제3레이저 펄스는 상기 박막을 부분적으로 용융시키기에 충분한 플루언스를 가진다. 일부 구체예에 있어서, 상기 스테이지는 일정한 속도로 이동한다.
본 명세서의 다른 관점은 선재성 결정자가 없는 무정형 실리콘막을 미립자 막으로 전환시키는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 상기 무정형 실리콘막을 제1선택방향으로 전진시키면서, 상기 무정형 실리콘막을 부분적으로 용융시키기에 충분한 플루언스를 갖는 연장된 레이저 펄스로 상기 무정형 실리콘막을 조사하는 것을 포함하며, 여기에서 상기 미립자 막은 상기 막의 두께보다 작은 평균 측면(laterial) 크기를 갖는다. 일부 구체예에 있어서, 상기 연장된 레이저 펄스는 300㎱ 반치폭 이상의 펄스 길이를 가질 수 있으며, 투광 조사 펄스이다. 일부 구체예에 있어서, 상기 연장된 레이저 펄스는 다수의 레이저 공급원로부터의 레이저 펄스들의 지연된 중첩에 의하여 생성되며, 여기에서 펄스들 간의 지연은 단일 용융 및 고화 사이클을 유도하기에 충분히 짧다. 일부 구체예에 있어서, 상기 무정형 실리콘막은 플라즈마 촉진 화학기상증착을 통하여 얻어진다.
본 상세한 설명의 다른 관점은 기판 상에, 기판에 인접하는 바닥 표면에 위치되는 바닥 계면과 상기 바닥 표면에 대향되는 상부 표면을 갖는 반도체 박막을 제공하는 단계; 및 상기 막의 완전 용융 문턱값(complete melt threshold)보다 1.3배 더 큰 에너지 밀도를 가지며, 상기 에너지 밀도가 상기 막을 완전히 용융시키도록 선택되는 레이저 빔으로 상기 박막을 조사하는 단계를 포함하며, 고화의 개시 시 반도체 막의 상부 표면에 표면 계면을 형성하도록 캡(cap) 층이 제공되고, 여기에서 조사 및 상기 막의 완전한 용융 이후 불균일한 핵 형성이 상기 상부 계면과 상기 바닥 계면 둘 다에서 발생하고, 냉각에 의하여 상기 불균일한 핵 형성이 상기 막의 상기 바닥 표면에 저-결함의 실리콘 입자를 형성하는 박막을 가공하는 방법에 관한 것이다. 일부 구체예에 있어서, 상기 레이저 빔은 80㎱, 200㎱ 또는 400㎱보다 더 큰 펄스 지속 시간을 갖는다. 일부 구체예에 있어서, 상기 반도체 박막은 약 100㎚ 내지 약 300㎚ 사이의 두께인 실리콘막을 포함한다. 일부 구체예에 있어서, 상기 기판은 유리 또는 석영이 될 수 있다. 일부 구체예에 있어서, 상기 입자는 작은 등축의(equiaxed) 입자가 될 수 있다.
일부 구체예에 있어서, 상기 레이저 빔의 상기 에너지 밀도는 국부적 완전 용융 문턱값의 1.4배이다. 일부 구체예에 있어서, 상기 캡층(cap layer)은 조사 이전에 상기 박막의 상기 상부 표면 상에 박층을 증착시키는 단계에 의해 형성된다. 일부 구체예에 있어서, 상기 캡층은 50㎚ 미만의 두께를 갖는 산화물층이 될 수 있다. 일부 구체예에 있어서, 상기 캡층은 함산소(oxygenated) 분위기 내에서 상기 박막을 조사하는 단계에 의해 형성된다. 일부 구체예에 있어서, 상기 함산소 분위기는 공기가 될 수 있다. 일부 구체예에 있어서, 상기 함산소 분위기는 산소만일 수 있다. 일부 구체예에 있어서, 상기 기판은 절연막으로 피복된 패턴화 금속막이 될 수 있으며, 상기 에너지 밀도는 상기 박막의 완전 용융 문턱값의 1.3배보다 더 크다. 하나의 관점에 있어서 본 명세서는 상기한 방법에 따르는 바텀-게이트 TFT에 관한 것이며, 상기 패턴화 금속막은 바텀 게이트가 될 수 있으며, 상기 절연막은 게이트 유전체(gate dielectric)가 될 수 있다.
비주기적 시스템 및 방법은 높은 처리량의 ELA 및 선택-영역 결정화를 할 수 있다. 이러한 공정은 능동형 유기발광다이오드(active matrix organic light emitting diodes ; "AMOLED") TV 및 초고선명 액정(ultra-definition liquid crystal ; "UD-LCD")에 바람직하다. 이들 제품 둘 다에 대하여, 무정형 실리콘은 성능과 안정성을 결여하는 반면, 현재의 저성능, 저온 폴리실리콘(low temperature polysilicon ; "LTPS") 기술은 필요한 패널 크기(예를 들면, 8세대(Gen8), 2.2×2.5㎡ 이상)에서 가격 경쟁적인 것으로는 보여지지 않는다.
하기의 설명은 첨부된 도면을 참조하여 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이며, 여기에서:
도 1a는 ELA로 얻어질 수 있는 랜덤 미세구조를 도시한 도면;
도 1b는 통상의 ELA 싱글-스캔 결과를 도시한 도면;
도 2a 내지 도 2c는 본 명세서의 구체예에 따른 레이저 펄스의 예시적인 에너지 프로파일을 도시한 도면;
도 2d는 싱글 샷(single shot) 조사 플라즈마 촉진 화학기상증착(plasma enhanced chemical vapor deposition: PECVD) 무정형 실리콘막을 도시한 도면;
도 3a는 본 명세서의 구체예에 따른 비주기적 펄스 ELA 시스템을 도시한 도면;
도 3b는 본 명세서의 구체예에 따른 비주기적 펄스 ELA에서 사용되는 샘플을 도시한 도면;
도 4는 본 명세서의 구체예에 따른 빔 펄스의 예시적인 프로파일을 도시한 도면;
도 5a는 본 명세서의 구체예에 따른 비-주기적 펄스 ELA 공정을 도시한 도면;
도 5b는 본 명세서의 구체예에 따른 도 5a에서의 영역(590)의 전개도;
도 6은 본 상세한 설명의 하나의 구체예에 따른 비-주기적 펄스 ELA 공정을 도시한 도면;
도 7은 도 5a에서 기술된 바와 같은 제1비-주기적 펄스 스캔 및 또한 본 명세서의 구체예에 따른 상기 막의 역방향에서의 제2스캔을 도시한 도면;
도 8a는 본 명세서의 구체예에 따른 1회의 조사 이후의 막의 결정 구조를 도시한 도면;
도 8b는 본 명세서의 구체예에 따른 도 9a의 결정 구조를 도시한 도면;
도 8c는 본 명세서의 구체예에 따른 더 높은 에너지 밀도에서 그러나 여전히 PMC 체제(regime) 내에서 한 번의 조사 후의 막 표면의 원자력 현미경(atomic force microscope ; "AFM") 스캔 결과를 도시한 도면;
도 8d는 본 명세서의 구체예에 따른 도 8c에서의 결정 구조를 도시한 도면;
도 8e는 본 명세서 구체예에 따른 용융되지 않은 시드(seed)로부터의 측면에 대하여 형성되는 원형 영역을 도시한 도면;
도 9는 본 명세서의 구체예에 따른 박막의 계면 응답 기능을 도시한 도면;
도 10a는 본 명세서의 구체예에 따른 진공 내에서 300㎚의 산화물층을 갖는 유리 기판 상의 150㎚ 무정형-실리콘(a-Si)에 대한 FTR 및 BTR을 도시한 도면;
도 10b는 본 명세서의 구체예에 따른 진공 내에서의 결과를 도시한 것을 제외하고 도 10b는 도 10a와 유사한 도면;
도 11a는 본 명세서의 구체예에 따른 1.32 CMT에서 공기 중에서 및 1.4 CMT에서 진공 내에서 300㎚ 산화물표면층을 갖는 200nm a-Si 막에 대한 나노초의 시간(x-축) 대 정규화된 반사값(normalized reflectance values)(y-축)의 그래프;
도 11b는 상기 공기 분위기 중에서 얻어지는 미세구조의 이미지를 도시한 도면;
도 11c는 상기 진공 분위기 중에서 얻어지는 미세구조의 이미지를 도시한 도면.
본 명세서는 부분 용융 결정화 및 완전 용융 결정화 기술과 함께 비주기적 펄스 레이저 기술을 사용하여 균일한 다결정막을 형성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일부 구체예에 있어서, 비주기적 펄스 ELA는 선재성 결정자가 없는 무정형의 직접 증착 Si막, 예를 들면, 저압 화학기상증착(LPCVD), 플라즈마 촉진 화학기상증착(PECVD), 스퍼터링 또는 e-빔(e-beam) 증착에 의하여 얻어지는 막으로부터 미립자의 균일한 결정막을 생산하는 데 사용되었다. 일부 구체예에 있어서, 투광 조사법은 미립자의 균일한 결정막을 생산하거나 또는 비-주기적 펄스 조사법을 위한 전구체막을 생산하는 데 사용될 수 있다. 상기 투광조사법은 투 샷(two shot) 부분 용융 공정이 될 수 있으며, 여기에서 어떠한 선재성 결정자도 없는 무정형 실리콘막(예를 들면, PECVD)이 두 단계에서 상기 막 두께를 초과하는 평균 측방 크기를 갖는 입자, 즉 작은 주상 입자(columnar grains)를 갖는 미립자의 균일한 결정막으로 전환된다. 상기 투광조사법은 또한 싱글 샷 부분 용융 공정의 지속시간 동안 연장될 수 있으며 여기에서는 어떠한 선재성 결정자도 없는 무정형 실리콘막(예를 들면, PECVD)은 상기 막두께 이하의 평균 측방 크기를 갖는 입자를 갖는 미립자의 균일한 결정막으로 전환된다. 상기 투광조사법은 또한 완전 용융 공정이 될 수 있으며, 막의 상부 및 바닥 둘 다에서 산화물 계면를 갖는 임의의 종류의 무정형 실리콘막은 저결함의 작은 등축 입자 Si 막으로 전환된다.
레이저의 위치 제어 순차적 격발을 사용하는 비-주기적 펄스 ELA법 및 도구를 기술한다. 상기 시스템은 상기 결정화 공정에서 뚜렷한 비-주기적 레이저 펄스, 예를 들면, 각 레이저 펄스가 분리된 부분 용융 및 고화 사이클의 결과를 가져오고, 펄스들 사이의 간격이 동일하지 않은 비-주기적 뚜렷한 비-주기적 레이저 펄스를 생성하도록 하기 위하여 다중의 레이저를 사용하여 실행될 수 있다. 다중 레이저는 협력 펄스 시퀀스에서 사용되어 싱글 스캔 또는 다중 스캔에서 막의 선택된 영역을 조사하고 결정화시킨다. 예를 들면, 보다 긴밀한 입자-크기 분포를 갖는 보다 균일한 다결정막을 야기하는 ELA에서 관측된 다중 조사의 누적 효과로부터의 이점을 얻을 수 있도록 대상 영역들에서의 보다 많은 수의 용융 및 고화 사이클에 도달하기 위해서는 다중 스캔이 바람직할 수 있다.
비-주기적 펄스화( Non - Periodic Pulsing )
레이저 펄스의 예시적인 시컨스를 도 2a 내지 도 2c에 도시한다. y축은 에너지 밀도를 나타내고 x축은 시간을 나타낸다. 도 2a는 통상의 ELA 공정에 대해 사용될 수 있는 레이저의 주기적 펄스율(pulse rate)을 도시하고 있다. 상기 주기적 레이저 반복률은 시간 영역 내에서 균일하게 이격된 레이저 펄스 패턴의 결과를 가져온다. 도 2b는 제2펄스(105)가 제1펄스(106)에 대하여 근접한 시간 관계에서 격발되는(fired) 본 명세서에서 기술되는 비-주기적 펄스화의 하나의 실시예를 나타내고 있다. 다음으로, 제3펄스(107)는 상기 제1펄스(106)와 제2펄스(105) 사이의 시간 간격과 다른 시간간격에서 격발된다. 도 2c는 레이저의 펄스의 펄스율과 레이저 출력(에너지 밀도)이 서로 다른 레이저 펄스에 대한 하나의 구체예를 나타내고 있다. 따라서, 조사된 막은 비-주기적 펄스율 및 가변가능한 조사 에너지를 경험하게 된다. 상기 제1펄스(106)와 제2펄스(105) 사이의 상대적으로 짧은 시간으로 인하여, 상기 제1펄스(106)와 제2펄스(105)로 조사되는 영역은 증가된 중첩을 경험하게 된다.
상기 제1펄스(106)와 제2펄스(105) 사이의 시간 지연은 상기 제1펄스(106)와 제3펄스(107) 사이의 시간 간격의 절반 미만이 될 수 있다. 일부 구체예에 있어서, 상기 제1펄스(106)와 제2펄스(105) 사이의 시간 간격은 상기 제1펄스(106)와 제3펄스(107) 사이의 시간 간격의 1/10 미만 또는 1/20 미만 또는 1/100 미만이다. 상기 제1펄스(106)와 제2펄스(105) 사이의 시간 간격은 약 3 마이크로초 내지 약 1밀리초, 약 5 마이크로초 내지 약 500 마이크로초 및 약 10 마이크로초 내지 약 100 마이크로초가 될 수 있다.
따라서, 도 2b 및 도 2c는 두 레이저 펄스의 근접하게 이격되거나 또는 하나의 "트레인(train)"을 사용하는 비-주기적 펄스 패턴을 나타내지만, 5 또는 그 이상의 레이저 또는 레이저 공진기(cavity)에 대응하여 더 많은 수의 긴밀하게 이격된 펄스, 예를 들면 3 내지 5 또는 그 이상이 사용될 수 있다. 이러한 구체예들에 있어서, 서로 다른 레이저들, 예를 들면, 2개의 서로 다른 레이저 에너지원들 또는 동일한 레이저 에너지원의 2개의 서로 다른 레이저 캐리어(carrier)들로부터의 레이저 빔들로부터의 더 많은 수의 긴밀하게 이격되는 펄스들이 사용되는 경우, 표적화된 영역이 그에 대응하여 보다 많은 횟수로 조사된다. 예를 들면, n개의 레이저 공급원으로부터의 n개의 펄스가 긴밀하게 이격되어 n개의 레이저 펄스의 트레인을 형성하고 단일 영역은 싱글 스캔에서 n회의 조사를 경험할 수 있게 된다. 상기 빔은 통상의 ELA 공정에서와 유사한 폭을 가질 수 있다.
하나의 펄스 트레인 내의 2개의 연속적인 펄스가 동일한 에너지 밀도이어야 할 필요는 없다. 예를 들면, 제1펄스로부터 상기 막이 여전히 뜨거운 경우, 제2펄스는 상기 제1펄스보다 더 낮은 에너지 밀도가 될 수 있다. 유사하게, 상기 제1펄스에 의한 광학적 특성들에서의 변화(UV 광에 대하여 무정형 실리콘은 결정성 실리콘보다 약간 더 잘 흡수함)를 보상하기 위하여 보다 높은 에너지 밀도가 사용될 수 있다. 따라서 상기 제2펄스의 에너지 밀도의 적절한 선택은 효과 및 가능한 다른 것들을 고려하여 상기 막이 동일한 정도의 용융을 경험하도록 할 수 있다. 여기에서, 용융의 정도는 용융의 세부사항들과는 별도로 용융의 척도로 이해될 수 있으며, 이는 전구체 상(무정형 또는 결정), 이질성(예를 들면, 균일하게 결함이 있거나 또는 보다 크며, 더 투명한 입자들로 둘러싸인 결함성의 코어(defective core)를 지님), 및 표면 형태(매끄러움 또는 거칠음, 예를 들면 광의 파장과 유사한 주기성을 지님)의 함수로서 뚜렷하게 변화될 수 있다. 따라서, 상기 제2펄스 동안에 용융의 정도가 상기 제1펄스의 용융의 정도와 동일한 경우, 예를 들면, 상기 막의 약 80%인 경우 동일한 정도의 용융이 달성된다. 더 균일한 다결정막으로 유도하는 누적 효과로부터의 이점을 목표하는 다중의 스캔 공정에 있어서는 상기 펄스의 대부분이 동일한 용융의 정도의 결과를 야기하여 상기 공정이 가장 효율적으로 되도록 하는 것이 바람직하다.
따라서, 도 2c에 나타낸 바와 같이, 상기 제1레이저 펄스와 상기 제2레이저 펄스는 서로 다른 에너지 밀도를 가질 수 있다. 특히, 도 2c는 상기 제2펄스보다 더 작은 에너지 밀도를 갖는 제1레이저 펄스를 도시하고 있다. 그러나, 동일한 구체예들에 있어서, 상기 제2레이저 펄스는 상기 제1레이저 펄스보다 더 작은 에너지 밀도를 갖는다. 더욱이, 다중 스캔 공정에 있어서, 상기 제1펄스의 에너지 밀도와 상기 제2펄스의 에너지 밀도 간의 오프셋(offset)은 서로 다른 스캔들에서 서로 다르거나 또는 없을 수 있다. 예를 들면, 상기 제1펄스와 제2펄스 간의 에너지 밀도의 오프셋은 제1스캔에서 광학적 특성들에서의 변화를 보상하도록 선택되는 한편, 제2스캔에서 오프셋이 온도를 보상하도록 선택될 수 있다. 일부 구체예에 있어서, 상기 두 펄스가 서로 다른 에너지 밀도를 가질 수 있지만, 상기 제1펄스로부터의 상기 막 내의 잔류열로 인하여 제2의 보다 낮은 에너지 펄스가 상기 막 내에서 제1의 보다 높은 에너지 펄스와 동일한 정도의 용융을 야기할 수 있다.
하나의 구체예에 있어서, 본 시스템은 시간 영역 내에서 긴밀하게 이격된 일련의 펄스를 생성하도록 다수의 레이저 공급원으로부터의 펄스의 협력 격발을 사용하는 것에 의해 비-주기적 레이저 펄스를 생성한다. 다수의 레이저 공급원은 단일의 레이저 시스템 내에 내포될 수 있다. 레이저 시스템은 사전결정된 방법으로 기판을 조사하기 위한 컴퓨터 제어 기술을 사용하는 컴퓨터 제어 시스템이며, 예를 들면, 상기 컴퓨터는 상기 레이저의 격발 및 상기 스테이지의 이동 및 하나 또는 그 이상의 레이저 공진기를 제어하여 하나 또는 그 이상의 레이저 빔을 생성하도록 한다. 각 레이저 빔은 하나의 레이저 공급원에 대응한다. 각 레이저 빔은 독립의 레이저(stand alone laser) 또는 하나의 레이저 시스템 내에 포함된 다수의 레이저 공진기의 일부인 레이저 공진기로부터 생성될 수 있다.
미국 특허 제7,364,952호(등록일: 2008년 4월 29일, 발명의 명칭: "Systems and Methods for Processing Thin Films")에 기술된 바와 같이, 다중의 레이저 공진기, 예를 들면, 튜브를 갖는 도구가 이미 (1) 동시적으로 격발하고 후속하여 다수의 펄스를 결합시키는 것에 의하여 펄스 에너지를 증가시키고 (2) 여러 튜브의 지연된 격발 및 후속하여 이들을 결합하는 것에 의하여 펄스 지연을 증가시키는 것이 기술되어 있다. 달리 말하면, 펄스들이 결합되어 변형된 단일의 용융 및 고화 사이클을 형성한다. 비주기적 펄스 ELA는 이것이 별도의 용융/고화 사이클에서의 여러 레이저의 펄스들을 사용한다는 점에서 다르다. 그러나, 상기 펄스들은 시간 영역 내에서 충분히 긴밀하여 상기 스테이지가 고속으로 이동하는 동안에도 충분한 중첩을 나타낸다.
더욱이, 상기 비-주기적 펄스 ELA 방법 및 도구는 또한 전장품(electronics)으로 형성될 상기 막의 이들 영역만을 결정화시키기 위하여 막의 선택적-영역 결정화(selective-area crystallization)를 수행하는 데 사용될 수 있다. 상기 비-주기적 펄스 ELA 방법 및 도구는 상기 막의 제1영역에서의 결정 성장의 결과를 가져오는 선택적-영역 결정화와 상기 레이저의 반복률(repetition rate)에 의해 결정되는 휴지(break) 및 계속해서 상기 막의 제2영역에서의 결정 성장의 결과를 가져오는 2 또는 그 이상의 레이저의 제2펄스에서의 실질적인 중첩을 제공한다. 레이저 펄스들 사이의 타이밍은 비주기적 레이저 펄스 시퀀스 및 조사된 영역 내에서의 실질적인 중첩이 생기게 하며, 이는 이하에서 상세하게 설명된다. 이러한 방법 및 시스템은 높은 처리량으로 ELA 공정에서 사용될 수 있다.
선택적-영역 결정화에 있어서, 상기 막은 전자소자들이 만들어지는 위치(후속하는 공정은 여기에서는 논의하지 않음)에서 결정화된다. 그러나, 모든 전자 소자가 동등하게 균일하거나 또는 심지어 동등하게 전도성 물질이어야 할 필요는 없다. 예를 들면, 작은 TFT는 결정 균일성의 개념에서 큰 TFT 또는 심지어 큰 커패시터(capacitors) 이상을 요구할 수 있다. 또한, 전류 구동(을 위하여 사용되는 TFT는 스위칭(switching)을 위하여 사용되는 TFT보다 더 나은 균일성을 요구할 수 있다. 따라서, 결정화되어야 할 특정의 영역의 전영역 중에서, 단지 일부가 높은 수의 레이저 펄스로 결정화되어 높은 결정 균일성 및 전도성의 영역을 얻는 한편, 나머지는 덜한 펄스 및 심지어 싱글 펄스로 가공될 수 있다. 선택적 영역 결정화 비주기적 펄스 ELA는 단지 막의 선택된 영역의 스캔을 위한 체계(framework)를 제공하며, 그에 의하여 가공 시간을 감소시킨다.
비-주기적 펄스 ELA
비주기적 ELA 시스템은 하기의 특징들, 즉, 다중 레이저 또는 레이저 튜브들, 및 짧은 천이(short succession)를 갖는 후속의 펄스의 지연된 격발을 위한 수단 중의 하나 이상을 포함한다. 상기 시스템은 또한 펄스의 위치 제어 격발을 포함하여 상기 레이저 빔 펄스가 상기 기판 상의 특정의 위치를 조사하도록 할 수 있다. 시간에 있어서 긴밀하게 이격된 상기 두 펄스의 타이밍은 상기 막의 조사된 부분이 펄스들 사이에서 고화되는 것을 허용하도록 하는 한편, 상기 위치 제어는 상기 조사된 영역이 적절하게 상기 기판 상에 적절하게 위치되도록, 예를 들면, 한 행의 픽셀 TFT 또는 회로를 형성하도록 하는 것을 확실하게 하도록 하여야 한다. 또한 상기 레이저 빔 펄스가 펄스의 시퀀스가 선택된 영역을 중첩하도록 하기에 충분한 빔 폭을 갖는 탑-햇(top-hat) 빔 프로파일을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
레이저 공급원의 수는 처리량, 레이저 출력, 패널 크기, 디스플레이 크기, 시스템 설계 및 도구 유지(tool maintenance) 등과 같은 여러 고려사항에 기초하여 선택될 수 있다. 다수의 레이저가 일반적으로 보다 높은 결정화율(crystallization rates)의 결과를 가져올 수 있으나, 그러나 또한 다수의 광학적 성분을 필요로 할 수 있으며, 이는 보다 복잡하고 많은 돈이 드는 시스템 설계를 야기할 수 있다. 또한, 다수의 레이저는 예를 들면 튜브 교체와 같이 보다 빈번한 수리의 필요성으로 인한 도구의 증가된 비작동 시간(downtime)을 야기할 수 있다. 레이저의 수에 대한 예시적인 값은 각각이 2㎡보다 큰, 가능하게는 5 내지 7.5㎡와 마찬가지의 크기가 될 수 있는 유리 패널을 가공하여 30, 40 또는 50인치 또는 그 이상의 직경을 갖는 디스플레이를 만들기 위하여 약 600와트(W)의 출력을 갖는 2 내지 4개 또는 그 이상의 레이저가 될 수 있다.
비주기적 펄스 ELA 도구는 통상의 ELA 및/또는 UGS 도구들에 비하여 하기의 이점들을 갖는다:
1. 사전-선택된 영역에 효율적인 파워 전달: 위치 제어에 의하여, 픽셀 TFT/회로 중간의 영역들이 불필요하게 결정화되지 않는다. 이는 보다 높은 효율의 결정화율을 야기한다.
2. 빔-엣지 연관 아티펙트의 제거: 빔 엣지는 픽셀 TFT/회로 영역에 충돌(impinge)하지 않으며, 따라서 그 안의 결정화된 영역 전부는 펄스의 정확한 동일한 시퀀스를 경험하게 된다.
3. 펄스 시퀀스의 최적화: 영역은 다수의 레이저 공급원으로부터의 펄스의 시퀀스에 의해 조사되며, 다중의 스캔 동안 그러한 상기 시퀀스는 최적화될 수 있다(예를 들면, 펄스 에너지, 펄스 지속시간, 펄스 예열).
4. 스캔들 사이의 수직의 변위의 실현에 의하여 장축에 대한 빔 비-균일성의 완화. (단축에 대한 빔 비-균일성은 또한 스캔들 내 또는 그들 사이에서의 효과적인 평행 변위, 즉 대상의 영역에 대한 빔의 횡방향 배치를 이동시키는 것에 의하여 완화될 수 있다).
다중 스캔은 전형적으로 만족스러운 재료 균일성을 얻기 위한 비주기적 펄스 ELA에서 요구된다. 비주기적 펄스 ELA의 SAC 작업은 전형적으로 통상적인 ELA에 비하여 보다 높은 처리율의 결과를 가져온다. 게다가, 수용가능하게 균일한 결정 구조를 얻기 위하여 요구되는 비주거직 펄스 ELA에 대한 펄스 수는 통상의 ELA에 대하여 요구되는 것보다 더 적을 수 있다. 통상의 ELA에 있어서, 빔 엣지들은 대상의 영역을 중첩시켜 스캔의 방향에 따른 조사된 영역의 결정 구조에서의 편차의 결과를 야기한다. 결정 구조에서의 상기 편차는 예를 들면 문헌[Im and Kim, Phase transformation mechanisms involved in excimer laser crystallization of amorphous silicon films, Appl. Phys. Lett. 63, (14), October 4, 1993]에서 논의되었으며, 여기에서는 부분적으로 용융된 저압 화학기상증착("LPCVD")막에서의 에너지 밀도의 함수로서의 입자 크기의 편차가 논의되었으며; LPCVD 무정형 Si 막은 결정화를 격발시켜 에너지 밀도에 대하여 증가하는 입자 크기를 갖는 막을 유도하는 작은 결정들을 포함하는 것으로 여겨진다. 플라즈마 촉진 화학기상증착("PECVD")막에 있어서, 용융 및 고화 공정은 이러한 결정들의 부재에 의하여 더욱 복잡하다. 따라서, 상기 결정화는 핵 형성 공정을 통한 결정의 형성에 의해 선행된다. 상기 핵 형성 밀도가 낮은 경우, 이는, 예를 들어 도 2d에서 나타내는 바와 같이 싱글-샷, 즉, 하나의 레이저 펄스 조사된 PECVD 무정형 Si 막의 가장 엣지에서 가시적인 것과 같은 원판-형(disc-shaped) 결정 구조의 결과를 야기할 수 있다. 도 2d는 싱글 샷 PECVD 무정형 Si의 엣지 영역(120)을 나타내고 있다. 이 엣지 영역(120)은 무정형 Si 부분(122) 및 결정성 Si 부분(124) 둘 다를 갖는다. 그러나, 무정형 Si 및 결정성 Si사이의 천이영역(126)은 뚜렷한 엣지는 아니며, 결정과 무정형 물질의 혼합물을 포함하는 이질성 영역이다. 따라서 상기 제1조사 이후의 상기 막의 비-균일성은 입자 크기 편차의 존재 및/또는 원판형의 결정 구조의 존재에 의하여 영향을 받는다. 이러한 비균일성은 이후의 방사선으로 쉽게 제거되지 않을 수 있다. 통상의 ELA에 있어서, 심지어 10개의 펄스 또는 그 이상 이후에서도, 상기 제1펄스 빔 엣지의 에너지 밀도 경사의 효과는 여전히 가시적일 수 있다. 따라서 상기 제1펄스 빔 엣지의 이력을 소거하기 위해서는 많은 펄스 수가 필요하다.
여기에서 기술된 바와 같이, 비-주기적 펄스 ELA를 사용하는 SAC는 동등하게 균일하게 결정화된 막을 달성하는 데에는 더 적은 펄스가 요구될 수 있다. 이하에서 보다 상세하게 논의되는 바와 같이, 선형 빔의 단축을 가로지르는 에너지 프로파일은 점진적으로 변화하는 에너지 밀도의 선도(leading) 엣지 및 추종(trailing) 엣지 및 상대적으로 일정한 에너지의 중앙 편평 영역(central flat region)을 포함한다. 용어 선형 빔은 여기에서 사용된 바와 같이 상기 빔의 길이보다 실질적으로 작은 폭을 갖는 빔을 의미하며, 즉 상기 빔은 큰 종횡비를 갖는다. 통상적인 ELA에 있어서, 상기 빔 엣지는 명백한 비-균일성 재질원이다. 비주기적 펄스 ELA에 있어서, 상기 빔 엣지는 대상의 영역의 외측(outside)에 위치되어 상기 대상의 영역이 제1펄스의 탑-햇부로 조사되도록 한다. 더욱이, 상기 빔의 에너지 밀도는 누적 공정에 대한 가장 균일한 출발물질을 생성하도록 하여 원하는 수준의 재료 균일성에 도달하는 데 요구되는 펄스의 수를 감소시키도록 최적화될 수 있다.
비-주기적 펄스 ELA 를 위한 시스템
도 3a는 비-주기적 펄스 ELA 시스템을 도시한다. 상기 시스템은 예를 들면 308㎚(XeCl) 또는 248㎚ 또는 351㎚에서 작동하는 다수의 레이저 펄스원(110, 110')을 포함한다. 일련의 거울(206, 208, 212)이 상기 레이저 빔을 샘플 스테이지(180) 쪽으로 지향시키고, 이는 y-방향으로 스캔하는 것을 가능하게 한다. 상기 빔은 예를 들면 약 360㎚, 또는 약 470㎚, 또는 약 720㎚의 길이, 또는 하나, 둘 또는 그 이상의 스캔에서의 유리 패널을 가공하기에 적절한 임의의 길이를 갖는 선형 빔으로 형상회된다. 상기 시스템은 또한 상기 레이저 빔의 공간 프로파일을 제어하는데 사용될 수 있는 슬릿(140) 및 슬릿(140)의 반사를 판독하기 위한 에너지 밀도 측정기(216)를 포함할 수 있다. 샘플이 존재하지 않거나 또는 조사를 원치 않는 경우에 상기 빔을 차단하기 위하여 선택적으로 셔터(228)가 사용될 수 있다. 샘플(170)은 가공을 위하여 스테이지(180) 상에 위치될 수 있다. 더욱이, 보다 균일한 탑 햇 빔 프로파일(top hat beam profile)을 제공하기 위하여 균일화기가 사용될 수 있다. 감쇠기가 사용될 수 있다. 상기 빔 에너지는 상기 레이저를 직접적으로 제어하는 것에 의하여 제어된다. 상기 스테이지(180)는 선형 이동 스테이지가 될 수 있으며, 측방으로의 이동을 수행하는 능력을 가질 수 있다. 선택적으로 상기 시스템은 펄스 증량기(213) 및 연장된 지속 펄스를 생성하기 위한 거울(214)을 포함할 수 있다.
상기 샘플 이동 스테이지(180)는 바람직하게는 선택적으로 x 및 z 방향에서와 마찬가지로 평면상 y 방향으로 상기 샘플(170)의 이동을 유발하기 위한 전산 배치에 의해 제어된다. 이러한 방법으로, 상기 전산 배치는 상기 조사 빔 펄스에 대한 상기 샘플(170)의 상대적인 위치를 제어한다. 상기 조사 빔 펄스의 반복 및 에너지 밀도가 또한 상기 전산 배치에 의해 제어된다. 상기 빔원(110, 110')(예를 들면, 펄스 엑시머 레이저) 대신, 조사 빔 펄스는 이하에서 기술되는 방법으로 상기 샘플(170)의 반도체(예를 들면, 실리콘) 박막의 선택된 영역을 적어도 부분적으로 용융(가능하게는 그들 전체 두께에서 완전히 용융) 시키기에 적절한 짧은 에너지 펄스의 다른 공지된 공급원에 의해 생성될 수 있음이 당업자에 의해 이해되어야 한다. 이러한 공지된 공급원은 펄스 고체 레이저, 파단된 연속파 레이저, 펄스 전자빔 및 펄스 이온빔 등이 될 수 있다. 전형적으로, 상기 빔원(110, 110')에 의하여 생성된 방사선 빔 펄스는 샘플 수준에서 400mJ/㎠ 내지 1J/㎠ 또는 1.5 또는 그 이상의 범위의 빔 세기, 10 내지 300나노초의 범위의 펄스 지속시간(FWHM) 및 10㎐ 내지 300㎐ 내지 600㎐ 또는 1.2㎑ 또는 그 이상의 범위의 펄스 반복률을 제공한다.
도 3a의 예시적인 시스템은 이하에서 보다 상세하게 설명되는 방법으로 상기 샘플(170)의 반도체 박막의 가공을 수행하는 데 사용될 수 있다. 그 결과의 마스킹된 빔 프로파일의 프로파일을 한정하고, 상기 반도체 박막의 부분의 인접 영역 및 엣지 영역들이 이러한 마스킹된 빔 펄스에 의해 조사되고 계속해서 결정화되는 경우에 이들 영역들의 비-균일성을 감소시키는 데 본 상세한 설명의 상기 예시적인 시스템에 의하여 마스크/슬릿이 사용될 수 있다.
예를 들면, 비주기적 펄스 ELA 공정을 위한 선형 빔은 약 100 또는 그 이하, 300 미크론 내지 약 400 내지 600 미크론 또는 그 이상의 폭을 가질 수 있다. 상기 ELA 빔의 플루언스는 상기 막의 완전 용융을 유발하지 않도록 선택된다. 따라서, 상기 ELA 빔은 상기 주어진막에서 완전 용융을 유발하는 플루언스 값의 약 5% 내지 30% 또는 그 이상으로 낮은 플루언스를 가져야 한다. 완전 용융을 유발하는 상기 플루언스 값은 상기 막의 두께 및 상기 펄스의 지속시간에 의존적이다. 더욱이, 상기 ELA 빔은 약 300㎐ 내지 약 600㎐의 상대적으로 낮은 반복률을 가져야 한다. 기술된 고출력 레이저는 펄스 당 충분한 에너지를 제공하여 조사된 영역의 길이를 가로질러 적절한 에너지를 제공하도록 하여 상기 펄스가 상기 영역 내의 막을 용해시킬 수 있도록 한다.
상기 ELA 선형 빔은 JSW(일본국 도쿄 시나가와-구 오사키 1-쵸메 11-1 게이트 시티 오사키-웨스트 타워(Gate City Ohsaki-West Tower, 11-1, Osaki 1-chome, Shinagawa-ku, Tokyo, Japan)에 소재하는 일본제강소(The Japanese Steel Works, Ltd.,)로부터 획득가능한 특정의 시스템에서 사용되는 것과 같은 상대적으로 저주파수 레이저 공급원으로부터 생성될 수 있다. TCZ로부터 획득가능한 것과 같은 고주파수 레이저는 상기 TFT 또는 회로의 펄스 반복률 및 피치(pitch)에 영향을 주는 요구되는 스캔 속도가 매우 높아짐에 따라 상기 비주기적 펄스 ELA 공정에 대하여는 잘 적용되지는 않는다.
도 3b에 나타난 바와 같이, 상기 샘플(170)의 반도체 박막(175)은 예를 들면 유리 기판(172) 상에 직접적으로 위치될 수 있으며, 이들 사이에 하나 또는 그 이상의 중간층(177)이 제공될 수 있다. 상기 반도체 박막(175)은 그의 적어도 특정의 필요한 영역이 그 두께를 통하여 적어도 부분적으로 또는 완전히 용융되는 한에서는 100Å 내지 10,000Å(1 미크론)의 두께를 가질 수 있다.
본 상세한 설명의 예시적인 구체예에 따르면, 상기 반도체 박막(175)은 실리콘(예를 들면, 무정형 실리콘 박막), 게르마늄, 실리콘 게르마늄(SiGe) 등으로 구성될 수 있으며, 이들 모두는 바람직하게는 낮은 수준의 불순물을 갖는다. 또한 상기 반도체 박막에 대하여는 다른 구성성분 또는 반도체 재료들을 활용하는 것이 가능하다. 상기 반도체 박막(175) 바로 아래에 위치되는 상기 중간층(177)은 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4) 및/또는 산화물, 질화물 또는 다른 재료들의 혼합물로 구성될 수 있다.
상기 빔 펄스(200)의 예시적인 프로파일을 도 4에 나타내었으며, 이는 또한 도 3a에서 나타낸 바와 같은 시스템의 광학에 의하여 형상화되거나 및/또는 마스크에 의해 생성될 수 있다. 이 예시적인 구체예에 있어서, 상기 빔 펄스의 에너지 밀도는 완전 용융 문턱값, 즉 상기 막이 완전히 용융하는 빔 펄스의 에너지 밀도 이하인 에너지 밀도를 갖는 프로파일(220)을 갖는다. 특히, 이 프로파일(220)은 상부(205), 선도 엣지부(210) 및 추종엣지부(215)를 포함한다. 이 구체예의 상기 상부(205)는 그 안에서 상기 에너지 밀도가 대략적으로 일정한 폭 C에 대하여 연장된다. 상기 폭 C는 100미크론 내지 1㎜ 사이가 될 수 있다. 상기 선도 엣지부(210)는 거리 D1(예를 들면, 50미크론 내지 100미크론)에 대하여 연장될 수 있고 상기 추종엣지부(215)는 거리 D2(예를 들면 또한 50㎛ 내지 100㎛)에 대하여 연장될 수 있다. 상기 선도 엣지부(210)는 D1P의 길이를 갖는 부분을 가지며, 이는 상기 에너지 밀도가 대략적으로일정한 지점으로부터 상기 결정화 문턱값, 즉 그곳에서 상기 막이 결정화하는 상기 빔 펄스의 에너지 밀도의 하위 점까지 연장된다. 유사하게, 상기 추종모서리부(215)는 상기 결정화 문턱값의 지점으로부터 상기 에너지 밀도가 대략적으로 일정한 상위점까지 연장하는 D2P의 길이를 갖는 부분을 갖는다. 상기 상부(205)는 통상적으로 상기 빔의 상기 "탑 햇"부로 언급된다.
상기 시스템은 또한 박막의 다수 부분의 동시적 스캐닝을 가능하게 하는 다중 투사 렌즈를 포함할 수 있다. 박막의 다수 부분의 동시적 스캐닝을 허용하는 시스템은 미국 특허 제7,364,952호(발명의 명칭: "Systems and Methods for Processing Thin Films")에 기술되어 있다. 상기 방법 및 시스템이 이중(dual) 레이저 공급원을 사용하여 기술되기는 하였으나, 별도의 레이저가 마찬가지로 사용될 수 있다.
상기 비-주기적 레이저 펄스 패턴은 바람직하게는 동일한 반복률의 다수의 레이저의 오프-셋 격발)에 의해 얻어진다. 앞서 논의한 바와 같이, 상기 레이저는 컴퓨터 시스템에 의해 제어되어 도 2b 내지 도 2c에 도시된 펄스 에너지 프로파일을 생성할 수 있다. 앞서 논의한 바와 같이, 비록 상기 기술된 구체예에서 2개의 레이저 튜브가 도시되기는 하였으나, 비-주기적 펄스 ELA를 위하여 2개 이상의 레이저 튜브가 사용될 수 있다. 예를 들면, 각각이 별도의 레이저 펄스를 방출하는 3개, 4개, 5개 또는 그 이상의 레이저 튜브가 사용되어 각 스캔 동안 상기 막의 각 부분 상으로 3개, 4개, 5개 또는 그 이상의 조사를 제공할 수 있다.
상기 막(170)은 무정형 또는 다결정 반도체막, 예를 들면, 실리콘막이 될 수 있다. 상기 막은 연속막 또는 불연속막이 될 수 있다. 예를 들면, 상기 막이 불연속막인 경우, 이는 리소그래피로 패턴화 되거나 또는 선택적으로 증착된 막이 될 수 있다. 상기 막이 선택적으로 증착된 막인 경우, 이는 화학기상증착, 스퍼터링 또는 용액가공박막, 예를 들면, 실리콘 기반 잉크의 잉크-젯 인쇄를 통하여 이루어질 수 있다.
비-주기적 펄스 ELA 방법( Non - Periodic Pulse ELA Method )
도 5a는 비-주기적 펄스 ELA 방법을 도시하고 있다. 2개의 레이저 펄스의 2개의 세트로 조사된 막의 예시적인 설명을 나타내고 있으며, 여기에서 제1의 2개의 레이저 펄스는 시간에 있어서 서로 긴밀하게 발생하고, 지연이 후속되고(그 동안 상기 기판이 화살표(980)로 나타낸 바와 같이 -y 방향으로의 이동을 지속하고), 제2의 2개의 레이터 펄스가 또한 시간에 있어서 서로 긴밀하게 발생한다. 상기 공정은 1차 레이저로부터의 펄스에 대응하는 2개의 조사 단계(단계 1 및 3) 및 2차 레이저로부터의 펄스에 대응하는 2개의 조사 단계(단계 2 및 4)를 갖는 적어도 4개의 조사 단계를 포함한다.
도 5a는 도 3a의 시스템의 광학에 의하여 형상화되거나 및/또는 마스크에 의해 패턴화된 선형 빔(164)의 펄스에 대하여 상기 샘플(170)의 상기 박막(175)의 순차적 이동을 나타내고 있다. 도 5b는 도 5a 내의 영역(590)의 전개도이다. 상기 샘플(170) 상에 제공된 상기 반도체 박막(175)의 조사의 이러한 예시적인 설명에 있어서, 상기 샘플(170)은 상기 선형 빔(164)의 상기 방향에 대하여 음의 y- 방향(화살표(980)) 내에서 이동된다. 상기 샘플(170)이 이러한 방법으로 상기 선형 빔(164)이 상기 박막(175)의 제1열(510)을 지적하도록 하는 위치까지 이동되는 경우, 상기 빔 원(110)이 상기 전산 배치에 의하여 작동되어 1차 레이저 공급원(110)으로부터의 제1의 선형 빔 펄스(410)가 조사되고 상기 반도체 박막(175)의 상기 제1열(510)에서 하나 또는 그 이상의 부분(511) 내지 (519)을 적어도 부분적으로 용융시킨다. 도 5에 나타낸 상기 제1의 선형 펄스(410)의 프로파일 및 길이는 도 4에 나타낸 상기 펄스(200)의 프로파일 및 길이에 실질적으로 대응한다. 상기 제1펄스(410)의 상기 탑 햇부(205)의 폭 C가 영역(910) 내의 상기 부분(511) 내지 (519)의 전체 단면을 조사하고 부분적으로 용융시키기에 충분하도록 넓게 되는 것이 바람직하다. 이들 부분은 그 안에 특정의 구조(예를 들면, TFT)가 위치되도록 지정되어 이들이 픽셀을 한정하도록 하는 데 사용될 수 있도록 할 수 있다. 부분적으로 용융된 재-고화된 부분들은 미립자 영역을 포함할 것으로 여겨지나, 그러나 그 안에 비교적 균일한 재료를 포함한다. 상기 용융된 부분(511) 내지 (519)은 재고화되고 결정화되어 이들이 그 안에 균일한 결정립 성장을 갖게 된다.
두 번째로, 2차 레이저 공급원(110')으로부터의 제2의 선형 빔 펄스(410')가 상기 박막(175)을 조사하여 상기 박막(175)의 부분적 용융을 유도한다. 상기 제2의 선형 빔 펄스(410)의 상기 탑 햇부는 상기 박막(175)의 제2영역(920)을 조사하고 부분(511) 내지 (519)의 전체 단면적을 부분적으로 용융시킨다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 영역(910) 및 영역(920)은 명백한 중첩을 가지며 제1결정화영역(960)을 형성한다. 상기 개시된 비주기적 펄스 ELA 공정에 있어서, 상기 제1영역과 상기 제2영역 간의 중첩은 70% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 95% 이상 또는 99% 이상이 될 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이 상기 선형 펄스(410, 410')를 사용하여 상기 제1열(510)이 조사되고 부분적으로 용융된 이후, 상기 샘플(170)을 음의 y 방향(상기 전산 배치의 제어를 통하여 으로 이동시켜 상기 빔(164)이 상기 샘플(170) 상에 제공된 상기 반도체 박막(175)의 제2열(520) 상에 충돌하도록 한다. 상기 제1열(510)에 대하여 상기 제2열(520)에의 도달에 의하여, 상기 1차 레이저 공급원(110)은 전산 배치에 의하여 작동되어 상기 1차 레이저로부터 제3선형 펄스(420)를 생성하도록 하고 이는 상기 제1열(510)의 조사에 대하여 앞서 기술한 바와 실질적으로 동일한 방법으로 조사되고 상기 제2열(520)의 영역(940) 내의 하나 또는 그 이상의 부분(521) 내지 (529)을 적어도 부분적으로 또는 완전히 용융시킨다. 계속해서, 상기 2차 레이저 공급원(110')으로부터 제4의 선형 빔 펄스(420')가 상기 박막(175)을 조사하여 부분(521) 내지 (529)을 포함하는 상기 박막(175)의 부분 용융을 유도한다. 상기 제4의 선형 빔 펄스(420)의 탑 햇부는 상기 박막(175)의 제4영역(950)을 조사한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 제3영역(940) 및 제4영역(950)이 뚜렷한 중첩을 가져 제2결정화영역(970)을 형성한다. 상기 기술된 비주기적 펄스 ELA 공정에 있어서, 상기 제1영역과 제2영역 사이의 중첩은 70% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 95% 이상 또는 99% 이상이 될 수 있다.
상기 샘플(170)의 이러한 이동(따라서 상기 선형 빔(164)의 충돌이 상기 반도체 박막(175)의 상기 제1열(510)로부터 상기 제2열(520)으로 이동함)은 거리 D에대하여 실행된다. 상기 거리 D는 또한 상기 거리 D를 통한 상기 샘플(170)의 이동이 상기 샘플(170)의 다른 열들에 대해서도 수행되기 때문에 픽셀 열 주기성 또는 픽셀 피치로 언급될 수 있다.
상기 빔(164)에 의한 그의 상기 충돌에 대한 상기 샘플(170)의 이동은 연속적으로(예를 들면, 정지함이 없이) 수행될 수 있다. 상기 전산 배치는 상기 레이저(110, 110')를 제어하여 사전 한정된(predefined) 주파수에 기초하여 대응하는 펄스(410, 410', 420, 420')를 생성한다. 이러한 방법으로, 상기 선형 펄스(410', 410, 420', 420)에 의한 상기 반도체 박막(175)의 충돌에 대한 상기 샘플(170)의 연속적인 이동의 속도 V를 한정하는 것이 가능하게 되며, 따라서 상기 박막(175)의 개개 열(510, 520)이 정확하게 상기 펄스들로 조사되도록 한다. 예를 들면, 상기 샘플(170)의 상기 이동의 이러한 속도 V는 다음과 같이 한정될 수 있다: V=Dxflaser, 여기에서 flaser는 상기 레이저 각각의 주파수이다. 따라서, 상기 거리 D가 200㎛이고 상기 flaser가 300㎐인 경우, 상기 속도 V는 대략 6㎝/초이고, 이는 일정한 속도가 될 수 있다.
비록 상기 샘플(170)이 상기 빔(164)에 의한 그의 충돌에 대하여 연속적으로 이동되어야만 할 필요는 없으나, 1차 레이저 공급원(110) 및 2차 레이저 공급원(110')의 작동은 상기 이동 스테이지(180)에 의해 제공되는 위치 신호에 기초하여 제어될 수 있다. 이 신호는 상기 선형 빔(164)에 의한 그의 충돌의 위치에 대한 상기 샘플(170)의 위치를 나타낼 수 있다. 이러한 신호에 연관된 상기 데이터에 기초하여, 상기 전산 배치는 상기 레이저 공급원(110, 110')의 작동 및 상기 샘플(170)에 대한 이동을 명령하여 상기 반도체 박막(170)의 특정의 위치(예를 들면, 열)의 유효한 조사를 달성하도록 할 수 있다. 따라서, 상기 반도체 박막(175)의 적어도 부분들의 위치 제어 조사가 선형 빔(164)을 사용하여 달성될 수 있다.
4개의 조사 모두는 상기 영역을 부분적으로 용융시키고, 계속해서 상기 용융된 영역은 빠르게 고화되어 결정화영역을 형성한다. 상기 제1영역(910)과 상기 제2영역(920)이 중첩되는 상기 박막(175)의 상기 영역은 제1결정화영역(960)을 형성한다. 상기 제3영역(940)과 상기 제4영역(950)이 중첩되는 상기 박막(175)의 상기 영역은 제2결정화영역(970)을 형성한다.
상기 막 속도 및 상기 제1레이저 펄스와 제2레이저 펄스의 반복률(주파수)은 상기 막 상의 후속하는 결정화영역의 위치를 결정한다. 하나 또는 그 이상의 구체예에 있어서, 상기 제1결정화영역(960) 및 제2결정화영역(970)은 또한 중첩될 수 있으며, 이 경우에서, 상기 막이 y 방향으로 스캔됨에 따라, 전체 막표면이 결정화될 수 있다.
도 5a에 나타낸 바와 같이, 상기 제1결정화영역(960) 및 제2결정화영역(970)은 중첩하지 않는다. 따라서, 상기 비-주기적 펄스 시퀀스가 사용되어 단지 대상의 특정의 영역, 예를 들면, 디스플레이 또는 센서 어레이 등과 같은 능동형 장치 내에서의 픽셀 TFT 또는 회로(511-519) 및 TFT 또는 회로(521-529) 만이 선택적으로 결정화될 수 있다. 이러한 SAC 구체예에 있어서, 상기 제1결정화영역(960) 및 제2결정화영역(970) 사이에 중첩은 존재하지 않는다. 중첩이 결여되어 있기 때문에, 그 위에 상기 샘플이 고정되는 상기 스테이지는 보다 높은 속도에서 움직여서 상기 제1결정화영역(960)과 제2결정화영역(970) 사이의 스페이싱(spacing)을 증가시키고 매트릭스형 전자기기의 주기성에 부합되도록 할 수 있다. 스테이지 속도에 있어서의 이러한 증가는 전체 가공 처리량에서의 뚜렷한 증가의 결과를 가져올 수 있다. 예를 들면, 디스플레이의 픽셀 배열에 있어서, 전자기기의 밀도느 오히려 낮아서, 예를 들면, 수백㎛ 또는 그 이상, 예를 들면, 1㎜ 또는 그 이상의 픽셀 피치(pitch)를 가지며, 단지 이들 영역들을 결정화시키는 것에 의하여 처리량에 있어서의 뚜렷한 증가가 달성될 수 있다. 따라서, 상기 스테이지는 주어진 레이저 펄스율에 대하여 보다 빠른 속도로 이동되도록 하여 상기 막 상의 선택된 영역의 완전한 결정화를 수행할 수 있다. SAC 비-주기적 펄스 ELA 시스템에 대한 처리량에 대한 예시적인 값은 본원의 실시예 부에서 참조된다. 따라서, 비-주기적 펄스 SAC의 처리량 개선은 크기가 큰 텔레비전 제조에서 요구되는 바와 같은 크기가 큰 패널, 예를 들면, 8세대 패널(~2.20×2.50㎡)에 대한 보다 경쟁력 있는 처리량을 가능하게 한다.
도 6은 제1선형 빔 펄스(1000) 및 제3선형 빔 펄스(1030)가 상기 제2선형 빔 펄스(1020) 및 제4선형 빔 펄스(1030)보다 낮은 에너지 밀도를 갖는 것을 제외하고는 도 5에 나타낸 스캔과 유사한 스캔을 도시하고 있다. 이 도면은 도 7c에 도시된 에너지 밀도에 대응하는 것이다. 상기 에너지 밀도는 상기 완전 용융 문턱값의 약 20% 내지 약 70%의 범위가 될 수 있다. 일반적으로, 비주기적 펄스 ELA에 있어서, 상기 제1의 용융 및 고화 사이클은 가장 균일한 결정 구조를 제공하도록 최적화되어 ELA에 있어서의 누적공정에 이롭게 되도록 하여 저결함 밀도를 갖는 충분한 균일성의 재료의 결과를 제공하도록 할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1펄스는 상기 완전 용융 문턱값보다 더 높은 에너지 밀도가 될 수 있다. 이러한 높은 에너지 밀도는 예를 들면 상기 제1의 두 펄스를 동시적으로 격발시키는 것에 의하여 쉽게 달성되어 단지 단일의 용융 및 고화 사이클의 결과(즉, 뚜렷하지 않은)를 가져올 수 있다. 유사하게, 상기 제1의 두 펄스는 작은 지연으로 격발되어 상기 부분적으로 용융된 재료의 균일성은 물론 심지어 특히 출발물질이 PECVD 증착된 a-Si막인 경우에서 이로움을 줄 수 있는 보다 긴 펄스 지속시간을 갖는 결합된 펄스를 형성하도록 할 수 있다.
도 7은 도 5a에서 기술한 바와 같은 제1의 비-주기적 펄스 스캔을 도시하고 있으며, 또한 상기 막(1100)의 역방향으로의 제2스캔을 포함한다. 도 7의 제1스캔에 있어서, 상기 스캔이 제1방향(1120) 내에서 진행함에 따라 5개의 영역(1110, 1112, 1114, 1116 및 1118)이 조사된다. 도 5a에 대하여 논의한 바와 같이, 상기 5개의 영역(1110, 1112, 1114, 1116 및 1118) 각각은 제1선형 빔 펄스(1122)에 의해 조사되는 영역 및 제2선형 빔 펄스(1124)에 의해 조사되는 영역에 대응한다. 각 조사는 상기 조사된 영역의 부분적인 용융 및 후속하는 결정화의 결과를 가져온다. 상기 제1선형 빔 펄스(1122)에 의해 조사되는 상기 영역 및 상기 제2선형 빔 펄스(1124)에 의해 조사되는 상기 영역에 의해 형성되는 중첩하는 영역은 상기 제1영역(1110)에 대응한다. 상기 막의 5개의 영역 전부가 제1스캔에서 조사된 이후, 상기 막은 양의 x 방향에서 이동되고 상기 제2스캔이 상기 제1스캔과 대향되는 방향인 화살표(1130)의 방향에서 일어난다. 다중 스캔의 통상의 ELA 기술이 국제공개특허공보 WO 2010/056990호(발명의 명칭: "Systems and Methods for Crystallization of Thin Films")에 기술되어 있다. 일부 구체예에 있어서, 상기 스캔 또는 상기 막이 상기 제1스캔과 상기 제2스캔 사이에서 음의 x- 방향에서 이동될 수 있기 이전에 상기 막은 x 방향에서 이동되지 않는다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 상기 제2스캔은 조사된 영역(1132, 1134 및 1136) 등의 결과를 가져온다. 이러한 다중 패스 스캔은 보다 높은 품질의 결정학적 막을 제공할 수 있다. 상기 막은 한 번, 두 번, 세 번, 네 번, 다섯 번 또는 그 이상의 횟수로 스캔될 수 있다.
따라서, 상기 비-주기적 펄스 ELA 시스템은 다중 스캔을 실행하여 원하는 펄스들의 수에 도달할 수 있으며, 예를 들면, 4개의 레이저 튜브 시스템이 5개의 스캔 공정에서 사용되어 상기 막의 단위 면적 당 총 20개의 펄스에 도달하도록 할 수 있다. 상기 기술은 상기 막의 각 조각에 대한 펄스 에너지 시퀀스의 정확한 제어를 허용한다. 예를 들면, 비-주기적 펄스 ELA에 있어서, 상기 제1스캔 동안의 펄스의 각 트레인에서의 상기 제1펄스는 후속하는 스캔보다 더 낮은 플루언스가 될 수 있다. 일부 구체예에 있어서, 상기 표면에 충돌하는 마지막 펄스는 더 낮은 에너지 밀도가 되어 ELA 가공된 막의 표면 거칠기를 감소시키도록 하기 위한 표면 용융을 유도하도록 할 수 있다. 더욱이, 빔 엣지를 갖는 그의 조사를 완전히 피할 수 있기 때문에 상기 픽셀 TFT 또는 회로 또는 그의 임의의 부분의 각 조각은 정확하게 동일한 펄스 에너지 밀도 시퀀스를 가질 수 있다. 빔 엣지가 대상의 영역을 충돌하는 것을 피한다는 것은 누적 공정이 소정의 균일성을 지니는 재료로 보다 쉽게 수렴되도록 하고, 그와 마찬가지로, 이러한 재료에 대한 총 펄스수는 통상적인 ELA 공정에 비하여 감소될 수 있다. 따라서, 상기 방법의 이점은 두 배 즉, 선택-영역 결정하의 결과로서의 감소된 펄스의 평균 개수 및 상기 빔의 엣지로의 조사를 회피하는 결과로서의 제1펄스 이후의 상기 재료의 감소된 초기 불균일성으로 인한 대상의 영역에서의 펄스의 감소된 개수라는 것이다.
앞서 논의한 ELA 방법과 비교하여, 비-주기적 펄스 선택-영역 결정화 ELA에서의 빔의 폭은 종종 덜 할 수 있으며, 이는 단지 결정화되어야 할 상기 영역의 폭과 같은 정도의 폭 만을 필요로 한다. 따라서, 빔의 길이를 증가시키는 데 사용될 수 있는 잉여의 에너지가 획득가능하다. 보다 긴 빔 길이는 보다 큰 규격의 투사 렌즈를 사용하여 실현될 수 있다. 또한, 상기 빔은 별도의 광학 경로(optical path)로 분할되어 상기 빔 펄스의 스캐닝 동안에 상기 막 내의 다수의 영역을 동시적으로 결정화시키도록 할 수 있다. 하나의 스캔에 의하여 가공된 영역의 길이의 증가는 상기 막을 완전히 결정화시키는 데 요구되는 스캔의 총수를 감소시킬 수 있다.
게다가, 선택-영역 결정화 비주기적 펄스 ELA는 대상 영역이 상기 빔의 추종엣지에 의해 조사되지 않도록 상기 빔의 탑 햇부를 정밀하게 정렬(align)하는 데 사용될 수 있다. 이상적으로, 대상 영역의 제1조사가 상기 빔의 탑 햇부 또는 전부 상기 막의 결정화 문턱값 이상의 유사한 에너지 밀도인 상기 선형 빔의 일부로 되어야 한다. 이러한 방법으로, 상기 빔 엣지가 상기 막의 대상 영역을 조사하지 않도록 상기 막을 선택적으로 조사하는 것에 의하여, 상기 막 내에서의 요구되는 미세구조 및 균일성을 생성하는 데 요구되는 스캔의 수가 감소될 수 있다.
일부 구체예에 있어서, 상기 빔을 픽셀 TFT 또는 픽셀 회로의 다른 행(또는 적어도 후자의 픽셀 TFT 또는 회로가 가공되어야 하는 위치)으로 각각 향하게 되는 2개 또는 그 이상의 선형 빔으로 분리시키는 데 광학이 사용될 수 있다. 이러한 방법에 있어서, 하나의 빔을 사용하여 2개의 선형 빔으로 분리시켜 단위 면적 당 펄스의 수를 2배로 하는 것이 달성되도록 하여 완전한 결정화를 달성하는 데 심지어 보다 적은 수의 스캔이 요구되도록 할 수 있다. 다중의 평행한 선형 빔은 인접하는 행의 픽셀 TFT/회로 상에 충돌하는 데 사용될 수 있거나 또는 인접하지 않은 행에 충돌하는 데 사용될 수 있다. 다중의 선형 빔은 빔을 분리시키고 이들을 별도의 광학 트랙 상으로 지향시키는 공지의 방법을 사용하여 생성될 수 있다. 분리된 빔들은 또한 심지어 분리 이후 즉각적으로 재결합되어 상기 광학 경로의 일부를 통하여, 예를 들면, 상기 투사 렌즈를 통하여 함께 이동될 수 있다. 상기 분리된 빔들은 서로에 대하여 평행하게 및/또는 서로에 대하여 약간 오프셋된 각도로 이동될 수 있다. 빔 길이를 유지하는 한편, 빔을 분리하는 것은 빔이 대략적으로 상기 폭의 1/m을 갖도록 하는 결과를 야기하며, 여기에서 m은 선형 빔의 개수이다.
비주기적 펄스 ELA 방법의 특정의 매개변수들은 빔 폭에 의존적이며, 이는 차례로 결정화되어야 할 영역의 폭에 의존적일 수 있다. 예를 들면, 능동형 소자의 크기는 특정의 픽셀 규격을 제안할 수 있다. 상기 픽셀 규격들은 상기 비주기적 ELA 가공능력의 이점을 취하는 새로운 픽셀 배치(layout)를 야기할 수 있다. 예를 들면, 660㎛ 픽셀 피치를 갖는 55인치 디스플레이는 300㎛와 같은 넓이의 결정화된 영역을 요구할 수 있다. 또한 픽셀 규격의 수축(예를 들면 초고해상도 디스플레이용) 및 비주기적 ELA 결정화 구조에 대하여 더욱 적절한 배치로 설계의 최적화는 이 영역의 규격을 예를 들면 150㎛ 이하로 감소시킬 수 있다. 최적화는 또한 2개의 인접하는 행 내의 픽셀에 대하여 서로 다른 배치를 갖는 것을 더 포함할 수 있으며; 인접하는 행들 내의 TFT/회로는 서로에 대하여 더 긴밀하게 위치되도록 하여 이들이 싱글 조사 내에서 중첩되도록 할 수 있으며, 그 후 조사되어야 할 다음 영역으로 이동하는 거리가 심지어 더 크게 될 수 있다.
픽셀 TFT와는 별도로, TFT는 또한 상기 디스플레이의 주변부에서, 예를 들면, 행렬 드라이버를 만드는 것이 바람직할 수 있다. 열 드라이버는 비디오 신호를 가공하기 위하여 보다 높은 성능을 가질 것이 요구될 수 있다. 일부 구체예에 있어서, SAC는 상기 디스플레이의 주변부 내에 원하는 드라이버를 집적하기 위한 충분한 영역의 결정화된 재료를 제공한다. 다른 구체예에 있어서, 상기 비주기적 펄스 ELA는 별도의 결정화 단계에 후속하여 상기 디스플레이의 상기 주변부를 보다 충분히 결정화시킬 수 있다. 이는 이들 영역 내에서의 토상의 스캐닝된 ELA를 수행하는 것에 의하여 동일한 레이저 및 광학 경로를 사용하여 수행될 수 있다. 달리, 이는 순차적 횡방향 고형화("SLS") 또는 ELA를 수행하기 위한 좁은 선형 빔으로 형상화된 고상 레이저를 사용하여 수행될 수 있다. 달리, 예를 들면 2-샷 SLS(즉, 미국 특허출원 제12/063,814호(출원일: 2008년 10월 31일, 발명의 명칭: "Systems and Methods for Uniform Sequential Lateral Solidification of Thin Films Using High Frequency Lasers")에 나타낸 바와 같은 단위 면적당 2개의 레이저 펄스) 또는 돗트 SLS(dot SLS)(즉, 미국 특허 제7,645,337호(등록일: 2010년 1월 12일, 발명의 명칭: Systems and Methods for Creating Crystallographic-Orientation Controlled Poly-Silicon Films")에 나타낸 바와 같은 돗트 패턴을 갖는 마스크를 사용하는 SLS)를 수행하기 위한 2차원 투사 방사선 도구(2D projection radiation tool)가 있다. 이러한 것은 동일한 도구 내로 집적되어 정밀한 스테이지로부터의 이점을 갖도록 할 수 있다. 여기에서 사용된 바와 같이, x-샷(x-shot) 공정은 상기 막의 각 표적화된 영역을 x회 조사하는 것을 의미한다.
앞서 기술한 바와 같이, 선택-영역 결정화는 예를 들면 매트릭스형 전자 소자 또는 회로 내의 대상 영역들 만의 결정화를 포함한다. 따라서, 결정화된 영역의 위치는 상기 매트릭스형 전자 소자 또는 회로 내의 노드(node)의 위치들에 대하여 정렬되어야 할 필요가 있다. 따라서, SAC를 실행하기 위해서는, 샘플 정렬 기술이 실행되어야 한다. 샘플 정렬의 단계는 여러 기술에 따라 달성될 수 있다. 하나의 기술에 있어서, 샘플 정렬은 전자 소자를 만들기 위한 추가의 가공 단계에서 샘플 위치가 재생될 수 있도록 하는 방법으로 샘플을 위치시킬 수 있는 능력을 갖는 결정화 시스템을 사용하여 구축될 수 있다. 하나의 통상적인 방법은 패널에 결정화에 앞서 검출되고 이에 대하여 결정화 공정이 정렬되는 기점(fiducials) 또는 정렬 마크를 제공하는 경우이다. 이러한 샘플 정렬의 방법은 통상적으로 서브-미크론 수준의 정확도가 이러한 소자의 여러 특징을 더하는 박막 트랜지스터를 만들기 위한 리소그래피 공정에서 사용된다. SAC에서의 샘플 정렬은 리소그래피에서와 같은 정도로 정확하여야 할 필요는 없다. 예를 들면, 상기 결정화 영역은 양 측면에 대하여 수 미크론 또는 10미크론 또는 그 이상으로 대상의 영역보다 더 클 수 있다.
다른 기술에 있어서, 상기 전자 소자의 제조에 앞서 결정화 영역의 위치를 검출하는 것에 의해 샘플 정렬이 구축된다. 상기 위치는 전장품이 위치되는 영역의 검출을 통하여 달성될 수 있다. 광학 특성의 변화의 결과로서 무정형으로부터의 결정으로의 변화가 미시적으로 가시화될 수 있기 때문에 상기 영역이 검출될 수 있다.
샘플 정렬을 위한 시스템에는 기점을 검출하고 그 기점에 대하여 알려진 위치에 상기 샘플을 정렬시키기 위한 자동화된 시스템이 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 시스템에는 상기 막 상의 상기 기점을 검출할 수 있는 광학 검출기의 이동을 제어하고 이에 반응하기 위한 전산 배치가 포함될 수 있다. 상기 광학 검출기는 예를 들면 고체촬상소자(CCD) 카메라가 될 수 있다.
PECVD 무정형 Si 막의 균일한 부분 용융 결정화
앞서 기술한 바와 같이, 부분 용융 결정화 기술은 실리콘막을 결정화시키기 위하여 하나 또는 그 이상의 조사가 사용되며, 여기에서 적어도 마지막 펄스가 상기 막의 완전 용융을 유도하지 않는다. 일부 구체예에 있어서, 미립자의 균일한 결정막을 제조하거나 또는 비-주기적 펄스 조사법을 위한 전구체막을 제조하는 데 부분 용융 투광 조사법이 사용될 수 있다. 상기 부분 용융 투광 조사법은 투-샷 부분 용융 공정이 될 수 있으며, 여기에서는 어떠한 선재성 결정자도 없는 무정형 실리콘막(예를 들면, PECVD막)이 두 단계에서 상기 막 두께를 초과하는 평균 측방 크기를 갖는 미립자의 균일한 결정막으로 변형된다. 상기 부분 용융 투광 조사법은 또한 연장된 지속시간의 싱글 샷 부분 용융 공정이 될 수 있으며 여기에서는 어떠한 선재성 결정자도 없는 무정형 실리콘막(예를 들면, PECVD막)이 상기 막 두께 이하의 평균 측방 크기를 갖는 미립자의 균일한 결정막으로 변형된다.
제임스 임(James Im) 교수의 논문은 "준-완전 용융(near-complete melting)"이 발생하여(문헌 Im et al, APL 63, 1993, p 1969) 낮은 입자내 결함 밀도를 갖는 입자들의 측방 성장의 결과를 야기하는 방법으로 완전 용융 문턱값에 근접하는 에너지 밀도에서의 싱글 샷 조사 공정에서 초측방성장(super lateral growth ; "SLG")이 일어날 수 있다는 점을 나타내고 있다. 이러한 재료는 100㎠/Vs로부터 위쪽으로의 이동도(mobilities)를 갖는 TFT를 생성하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 상기 입자 크기가 (1) 펄스 에너지 밀도, (2) 상기 전구체막 내에서의 이질성 및 (3) 완전한 무정형막이 사용되는 경우, 상기 결정 핵 형성 공정의 추계학적 속성(stochastic nature)에 매우 민감하기 때문에 이러한 재료의 상기 TFT 균일성은 형편없다. 그러나, 이러한 SLG 체제에서의 다중의 조사는 보다 균일한 크기의 입자들이라는 결과를 야기할 수 있다. 이는 자가-안정화 공정(self-stabilizing process)의 결과를 가져오는 조사되는 광의 파장에 상응하는 상기 막 내의 주기적 표면 거칠기의 형성에 의해 가능하게 된다. 이러한 접근법은 가장 통상적으로 선형 빔을 이용하는 ELA로 상용화되었다. 앞서 기술한 바와 같이, 상기 ELA 공정은 준-완전 용융 체제에서의 다중 조사로 인한 초기 불균일한 다결정막의 보다 균일한 상태로 수렴하는 누적 공정이다. 그러나, 상기 ELA 공정은 초기 다결정상태가 균일한 경우에 보다 효과적이 될 수 있다.
앞서 논의한 바와 같이, 대상의 영역이 빔의 엣지로 조사되지 않는 UGS 시스템 또는 비주기적 펄스 ELA 시스템을 사용하여 보다 균일한 다결정막이 얻어질 수 있다. 그러나, 심지어 상기 빔의 상기 탑 햇부로 초기에 조사된 영역 조차도 상기 전구체막 내의 이질성 및 완전한 무정형막의 경우에서의 상기 결정 핵 형성 공정의 추계학적 속성의 결과로서 비균일성으로 곤란을 당할 수 있다. 본 상세한 설명은 앞서 기술한 ELA 공정(통상의 비-주기적 펄스 둘 다에서)의 효율성을 증가시키는데 이로울 수 있는 균일한 초기 결정화된 다결정막을 생성하기 위한 부분 용융 결정화를 수행하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 다른 구체예에 있어서, 강화된 균일성을 지니는 얻어진 PMC 재료 자체는 추가의 ELA 가공이 없는 박막 전자 소자를 생성하는 데 사용될 수 있다. 이는 보다 낮은 성능의 박막 소자(예를 들면, 100㎠/Vs 이하, 또는 10㎠/Vs로 낮은)가 충분하나, 그러나 막의 균일성은 여전히 절대적인 상황에서 유리할 수 있다.
부분 용융 결정화(즉, 준완전 용융 문턱값 이하의 에너지 밀도에서의 결정화)가 앞서 문헌[Im and Kim, Phase transformation mechanisms involved in excimer laser crystallization of amorphous silicon films, Appl. Phys. Lett. 63, (14), October 4, 1993]에서 LPCVD를 사용하여 증착된 무정형 Si 막에 대하여 기술되어 있다. 이 논문은 상기 LPCVD Si 막이 완전한 무정형이 아니며, 상기 막 내에 결정화를 시딩(seed)하는 작은 결정자가 존재한다고 표시하고 있다. 결정자의 높은 밀도로 인하여, 결정자들 간의 측방 스페이싱은 극히 작고 결정 성장이 상기 막의 평면에 대하여 수직인 방향으로 지배적으로 일어난다. 상기 입자의 매우 작은 크기는 이 재료가 균일한 TFT를 만드는데 매력적이 되도록 한다. 이러한 LPCVD의 싱글 샷 결정화는 레이저 펄스의 추가의 스테이지-동기화 조사(stage-synchronized radiation)가 가능한 투광 조사 도구로 수행되는 UGS 방법으로서 언급되는 것들 중의 하나이다(2차원의 투사를 사용하는 미국 공개특허 제2006-0030164 A1호(발명의 명칭: "Process and system for laser crystallization processing of film regions on a substrate to minimize edge areas, and a structure of such film regions") 및 미국 공개특허 제2007-0010104 A1호(발명의 명칭: "Processes and systems for laser crystallization processing of film regions on a substrate utilizing a line-type beam, and structures of such film regions")를 참조한다). 잠재적으로, 이는 매우 높은 처리량을 갖는 LTPS 소자를 제조하기 위한 방법이 될 수 있다. 이러한 소자는 현재 무정형 실리콘은 불충분한 성능 수준(n-채널 UGS TFT에 대하여 30 이상 심지어 50㎠/Vs에 비하여 n-채널 a-Si TFT에 대하여 대략 1㎠/Vs)으로 결론지어진 UD-LCD TV 제품(예를 들면, 대략 2000×4000 픽셀, 480㎐ 및 80인치(80"))을 위한 것으로 고려된다.
매우 작은 주상 입자를 갖는 PMC 미세구조는 이러한 부분 용융 에너지 밀도 체제에서는 일반적으로 달성될 수 있는 것이 결코 아니다. 부분 용융 결정화로서는 재생산가능하게 소립의 균일한 LTPS TFT를 제조하는 데 사용될 수 없다는 것이 논문에서 밝혀졌다. 예를 들면 문헌[Mariucci et al. (Thin Solid Films 427 (2003) 91-95)]은 고도로 이질성이고 부분적으로 고도로 결함(측방 성장을 통하여 보다 크고 명백한 입자들로 둘러싸인 결함성 코어)인 재료가 얻어질 수 있다는 것을 나타내고 있다.
도 8a는 상기 PMC 체제의 열 단부에서의 한 번의 조사 이후의 막의 표면의 AFM 스캔을 도시한다. 이는 고화 시 Si 팽창의 결과로서의 측면 성장 및 그에 대응하여 측면 질량 유동(mass flow)을 나타내는 큰 돌출부(protrusions)로 둘러싸여진 원판형 구조를 나타내고 있다. 도 8b는 도 8a의 결정 구조의 설명이다. 도 8b에서의 상기 결정 구조는 결함성의 코어(800)를 갖는다. 이 구조는 측면 결정화를 시딩하고 판형 구조의 결과를 가져오는 핵 형성 사건의 낮은 밀도의 결과이다. 상기 초기 성장 조건은 평형과는 거리가 멀다. 마찬가지로 상기 결정은 고도로 결함성이다. 성장 전단(front)이 서로에 대하여 이동함에 따라, 충분한 열이 방출되고 상기 막의 뚜렷한 재가열을 야기한다. 상기한 재가열은 보다 저결함 밀도의 측방 성장의 결과를 가져올 수 있다.
도 8c는 보다 높은 에너지 밀도이나 여전히 PMC 체제 내의 한 번의 조사 이후의 막의 표면의 원자력 현미경 스캔을 도시하고 있다. 도 8d는 도 8c에서의 결정 구조의 상세이다. 여기에서, 보다 높은 에너지 밀도의 방사로부터 도입되는 추가의 열은 상 변화의 초기 단계에서 형성된 상기 결함성 코어 영역의 재-용융의 결과를 가져온다. 상기 결함성 코어 영역의 용융 문턱값은 저결함 밀도의 외측 링(ring)의 용융 문턱값보다 낮으며, 그와 같이 우선적으로 용융될 수 있다. 이들 에너지 밀도에서의 재-성장은 외측링으로부터 시딩되어 내측으로 진행될 것이다. 이러한 시딩은 고화 시 Si 팽창의 결과로서 중앙에서 작은 돌출부를 생성한다. 이들 돌출부는 도 8c에서 원자력 현미경 스캔에서 가시적이다. 결함성 코어 영역의 재-용융은 보다 균일한 필름이라는 결과를 가져올 수 있다. 도 8d는 상기 막의 준완전 용융에 충분한 에너지 밀도에서 얻어지는 결정 구조의 상세이다. 도 8e는 용융되지 않은 시딩으로부터의 측방 결정화에 의하여 형성되는 원형 영역을 나타내고 있다.
결함성 코어 영역의 2차 용융은 상기 레이저 펄스의 시간적 프로파일에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들면, 코헤런트 인코포레이션(Coherent, Inc.; 미국 캘리포니아주 산타 클라라시 소재)로부터 획득가능한 엑시머 레이저는 세기에서의 피크를 나타내는 시간적 프로파일을 갖는 경향이 있다. 제1피크는 상기 막의 초기 폭발적 결정화(explosive crystallization)를 야기할 수 있는 반면에 제2피크는 초기 단계 동안에 형성된 결함성 코어 영역의 선택적 재-용융의 결과를 가져올 수 있다. 상기 레이저의 상기 시간적 프로파일은 시간에 걸쳐, 특히 레이저 가스의 노화에 대하여 가변될 수 있는 것으로 알려져 있다. 궁극적으로는, 시간에 걸쳐, 제3세기의 피크가 나타날 수 있다. 따라서, 코어 재-용융 이후의 상기 재료가 보다 균일하게 될 수 있는 반면에, 레이저 도구로부터의 많은 펄스에 대하여 쉽게 재생산가능하지 않다. 다른 레이저는 단지 단일의 세기 피크 만을 가질 수 있으며, 동일한 펼스 내에서의 재-용융의 상세는 서로 다를 수 있다.
이러한 미세구의 재생산가능성을 개선하기 위한 하나의 방법은 상기 막을 2회 조사하는 것이다. 제1펄스가 상기 결함성 코어 재료를 얻도록 최적화될 수 있는 반면 제2펄스는 재-용융에 최적화될 수 있고, 따라서 상기 코어 영역을 깨끗하게 할 수 있다. 이는 2회의 스캔 또는 스테이지가 다음 위치로 이동되기 이전에 2개의 펄스가 각 위치에서 조사되는 하나의 단계 및 조사 절차를 사용하여 수행될 수 있다.
본 상세한 설명은 보다 효율적인 방법 즉, 싱글 스캔에서 2파트 조사 부분 용융 결정화 공정과 같은 것을 제공하기 위한 시스템에 관한 것이다. 비주기적 펄스 ELA 시스템이 큰 입자를 가지나 상기 막을 가로질러 낮은 균일성을 지니는 중간 미세구조를 얻기 위한 2파트 공정의 제1레이저 펄스를 생성하는 데 사용될 수 있는 반면에 제2펄스는 상기 중간 미세구조를 깨끗하게 하여 최종의 균일한 막으로 생성시키는 데 사용된다. 따라서 본 방법은 상기 제2펄스의 지연된 격발(및 가능하게는 제1펄스 및 제2펄스의 플루언스를 제어)하여 상기 재-용융된 코어 영역에 대한 최적화된 에너지 밀도 창(window)을 달성하는 것을 교시하고 있다. 상기 지연된 격발은 이전에도 제안되었었으나, 그 때에는 펄스 지속시간 연장을 모방하고 거울에 의한 광학적 손실이 없도록 하기 위한 것이었다. 상기 펄스들이 긴밀하고 중첩될 수 있기 때문에, 이는 제2펄스의 도달에 의하여 상기 막이 완전히 냉각되지 않거나 또는 가능하게는 심지어 완전히 고화되지 않아 에너지 밀도의 보다 효율적인 사용의 결과를 가져온다는 것을 의미한다. 더욱이, 상기 제1펄스 및 제2펄스의 에너지 밀도는 동일할 수 있거나 또는 서로 다를 수 있다. 그러나, 상기 제2펄스의 도달 이전에 상기 막이 완전히 냉각되지 않을 수 있기 때문에, 상기 막은 상기 제1펄스와 비교하여 상기 제2펄스로부터 서로 다른 정도의 용융을 경험할 수 있다.
출발 막은 전형적으로 SiO2-코팅 유리, 석영 또는 산화된 Si 웨이퍼 상의 대략 40㎚ 내지 100㎚의 두께 또는 심지어 200㎚ 두께의 Si 막이다. 보다 얇은 막이 증착시간을 감소시키고 요구되는 수준의 용융에 도달하기 위하여 요구되는 에너지 밀도가 낮기 때문에 일반적으로 선호된다. 상기 펄스는 대략 30㎱ FWHM 또는 그 이상 예를 들면 300㎱ FWHM 또는 그 이상의 펄스 지속시간을 가질 수 있다. 그 아래의 기판으로 열이 덜 손실되고, 더 높은 처리량이 달성될 수 있기 때문에 일반적으로 보다 짧은 펄스가 상기 Si 막을 용융시키는 것에서 더 효율적이다. 막은 전체 부분-용융 에너지 밀도 범위에 걸쳐 조사될 수 있다.
다른 구체예에 있어서, 미세결정자가 없는 막(PECVD를 사용하여 얻어진 대로)을 사용하는 동안 상기 원판형 영역이 전부 회피된다. 상기 원판형 영역은 상기 핵 형성 밀도를 증가시키는 것에 의해 회피될 수 있다. 더 높은 핵 형성 밀도는 보다 수직인 결정화 공정을 야기하여 보다 덜한 측방 성장 및 보다 덜한 측방 질량흐름의 결과를 가져올 수 있다. 긴 펄스 지속시간에 대하여 상기 무정형 Si 용융 전단이 보다 느리게 이동하기 때문에 보다 긴 펄스로의 천이에 의해 보다 높은 핵 형성 밀도가 달성될 수 있다. 도 9(그의 온도에 대한 고체-액체 계면의 속도를 기술함)에 나타난 바와 같이 계면 응답 함수(interface response function ; "IRF")에서 가시화된 바와 같이, 이는 결정성 Si 용융 온도 Tx m에 대하여 그의 온도가 보다 더 과냉각(supercooled)되었다는 것을 의미한다. 도 9 내의 IRF는 x축 상의 온도 및 y축 상의 결정 전단의 속도를 나타내고 있다. 고화 영역은 상기 그래프의 양의 y 영역이고 용융 영역은 상기 그래프의 음의 y 영역이다. 점선은 무정형 실리콘에 대응하는 한편, 실선은 결정성 실리콘에 대응한다.
따라서, 느린 용융 특성을 지니는 긴 펄스(900)에 대하여는, 핵 형성은 신속하게 상기 무정형 Si IRF 곡선 상의 지점(905)에 의해 표시되는 바와 같은 깊은 과냉각 조건에서 출발한다. 전통적인 핵 형성 이론으로부터, 깊은 과냉각은 보다 높은 핵 형성 속도의 결과를 가져온다고 알려져 있다. 따라서, 짧은 시간 내에 핵이 성장(재휘현상(recalescence)을 의미하는 현상)을 개시함에 따라 융해열의 방출의 결과로서 상기 막이 재가열되기 시작하기 전에 다수의 핵이 형성된다. 상기 핵 형성 성장이 수직 방향에서 일어날 수 있기 때문에 이러한 핵 형성의 높은 밀도는 상기 영역 내에서의 측방 성장을 실질적으로 제거한다. 실질적인 측방 성장은 보다 덜 한 균질한 구조 및 불균일한 막 표면을 생성할 수 있다. 따라서, 상기 막에 대하여 단위 시간 당보다 덜한 에너지를 부여하는 긴 지속시간의 펄스를 사용하는 것에 의하여, (일부) LPCVD막에 대하여 얻어지는 것과 유사한 막이 얻어질 수 있으며, 여기에서 높은 밀도의 미세결정자가 선재한다.
반면에, 짧은 펄스(910)에 대하여는, 상기 용융 전단이 빠르게 이동하고 과냉각이 덜 된다. 상기 조건은 계통적으로 상기 IRF 상의 (915)에 대응한다. 긴-펄스로 조사된 막에 대한 것보다 과냉각이 덜 한 반면에, 비록 낮은 속도일지라도 이는 여전히 핵 형성이 일어나기에는 충분하다. 따라서, 뚜렷한 재휘현상이 일어나서 더 이상의 핵 형성이 정지되는 온도까지의 상기 막의 추가의 가열을 야기하기 이전에 짧은 시간 간격에서는 핵이 거의 형성되지 않는다. 핵 형성의 보다 낮은 밀도로 인하여, 이들 형태의 막은 보다 더 측방 성장을 경험할 수 있고 이질성 결정 성장의 결과를 가져올 수 있다.
정규의 엑시머 레이저 펄스는 상기 짧은 펄스 시나리오를 가능하도록 하기에 충분히 짧을 수 있는 한편, 8배(8x)의 펄스 증량기(대략 300㎱ FWHM 펄스를 생성하기 위한)를 사용하여, 긴 펄스 시나리오로 이동하기에 충분하게 펄스가 길게 생성될 수 있다. 달리, 각각이 짧은 순서로 격발되어 단일 용융 및 고화 사이클을 유도하는 다중 레이저 튜브를 사용하여 연장된 펄스가 생성될 수 있다.
따라서, 느린 용융 특성을 지니는 긴 펄스를 사용하는 것에 의한 싱글 펄스 부분 용융 공정을 통하여 균질한 결정막이 얻어질 수 있다. 이 막은 통상의 또는 비-주기적 펄스 ELA 공정을 위한 전구체막으로서 사용될 수 있다.
완전 용융 결정화
다른 관점에 있어서, 미립자의 균일한 결정막을 생성하기 위하여 또는 후속하는 누적 ELA 공정을 이롭게 할 수 있는 초기에 결정화된 다결정막을 생성하기 위하여 완전 용융 체제에서의 조사가 사용된다. 완전 용융 결정화(CMC)는 싱글 샷이 사용되어 Si 막을 완전히 용융시키고 계속해서 상기 막을 핵 형성을 통하여 결정화시키는 기술이다(미국 특허출원 제10/525,288호(발명의 명칭; "Process and system for laser crystallization processing of film regions on a substrate to provide substantial uniformity, and a structure of such film regions") 참조). CMC는 추가로 레이저 펄스의 스테이지 동기화 조사가 가능한 투광 조사 도구로 수행되는 UGS 방법으로 언급되는 것 중의 하나이다(미국 특허출원 제10/525,297호(발명의 명칭: "Process and system for laser crystallization processing of film regions on a substrate to minimize edge areas, and a structure of such film regions") 및 미국 특허출원 제11/373,772호(발명의 명칭: "Processes and systems for laser crystallization processing of film regions on a substrate utilizing a line-type beam, and structures of such film regions" 참조).
현재 기술된 CMC 방법은 박막 내 이질성 핵 형성을 야기하여 저결함의 작은 등축 입자 Si 막을 형성하는 것에 초점을 두고 있다. 상기 시스템은 고에너지 밀도 펄스, 예를 들면, 상기 막의 완전 용융 문턱값의 1.3 내지 1.4배 더 큰 것을 사용한다. 상기 가공은 외기(ambient air) 또는 임의의 함산소 분위기(oxygen containing atmosphere) 중에서 수행된다. 상기 공정은 산화물표층(oxide surface layer)을 갖는 막 또는 약 50㎚ 이하의 두께의 캡층을 갖는 막을 사용하여 수행될 수 있다. 상기 시스템은 SiO2 유리, 석영 웨이퍼 상의 상대적으로 얇은 Si 막(100㎚ 내지 300㎚의 범위 이내)과 함께 대략적으로 80㎱ 내지 약 500㎱(예를 들면, 200㎱ 또는 400㎱)의 상대적으로 긴 펄스 지속시간을 사용한다. 종래 기술에서 교시된 균질한 핵 형성 시나리오 대신에 특정의 소정의 균질한 핵 형성 시나리오를 유도하기 위한 상기 공정의 매개변수를 선택하는 것에 의하여, 상기 막과 상기 산화물표층 사이 및 상기 막과 상기 기판 사이의 둘 다에서 핵 형성이 달성될 수 있다. 상기한 매개변수들의 결과로서, 저결함 밀도의 결정들이 형성될 수 있다.
상기 기술된 CMC 방법은 매우 높은 처리량으로 저성능의 LTPS 소자를 제조하는 데 사용될 수 있다. 이러한 소자는 현재 무정형 실리콘은 불충분한 성능 수준(n-채널 UGS TFT에 대하여 30 이상 심지어 50㎠/Vs에 비하여 n-채널 a-Si TFT에 대하여 대략 1㎠/Vs)으로 결론지어진 UD-LCD TV 제품(예를 들면, 대략 2000×4000 픽셀, 480㎐ 및 80인치(80"))을 위한 것으로 고려된다.
완전 용융은 조사 조건 및 샘플 배치에 의존적인 다양한 핵 형성-유도 미세구조의 결과를 가져오는 것으로 알려져 있으며; 상기 공정의 상세한 설명은 문헌 S. Hazair, et al, "Nucleation-Initiated Solidification of Thin Si Films," Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 979 (2007)에서 발견될 수 있다. 이들 미세구조의 상당수는 대규모의 이질성(가변가능한 입자 크기, 고도로 결함인 영역)을 특징으로 하며, 이는 불량한 소자 균일성을 초래할 수 있다. 예를 들면, 상기 하자이어(Hazair)의 논문의 주제는 결함성 코어 영역이 저-결함-밀도의 "화판"-형 입자("petal"-shaped grains)의 고리로 둘러싸여진 플라워-형 입자(flower-like grains ; flg-Si)의 형성이다.
그러나, 특히 하나의 미세구조는 이러한 것에 대한 예외가 되는 것으로 나타나며, 문헌 S.R. Stiffler, M.O. Thompson, and P.S. Peercy, Phys. Rev. Lett. 60, 2519 (1988)에서 처음으로 기술되었다. 이 미세구조는 상기 막의 두께를 통하여 분포되고 매우 낮은 입자내 결함 밀도를 갖는 균일하게 작은 입자로 이루어진다. 이러한 미세구조는 양호한 소자 균일성 및 아마도 상당한 소자 성능 수준의 결과를 가져오는 것으로 기대된다. 작은-입자의 실리콘(증착 기술을 포함)을 제조하는 많은 다른 방법들과는 달리, 바닥의/바닥 근처의 결정이 저결함 밀도 및 보다 큰 크기를 갖기 때문에 이는 심지어 바텀-게이트 TFT에 대하여도 사실이다. 그러나, 이러한 미세구조의 형성 뒤의 메커니즘에 대하여 그에 따라 이를 재생가능하게 얻는 것에 대하여는 문제점이 남아 있다.
작은 등축의 입자 Si(seg-Si)이 스티플러(Stiffler)에 의하여 균질한 핵 형성의 결과, 즉 계면에서 만에 대한 것과는 반대로 액체의 덩어리(bulk)를 통한 고체의 핵 형성의 결과로 기술되었다. 스티플러는 그의 결론을 상기 막의 전면(front side) 반사율과 전도도에서의 동시적인 강하를 나타내는 일시적 반사율(transient reflectance ; "TR") 데이터와 일시적 전도도(transient conductance ; "TC") 데이터의 조합에 기초하고 있다. 이는 상기 막의 덩어리를 통한 핵 형성을 나타낸다고 주장하고 있다. 20 여년 동안, 이는 상기 막의 상기 덩어리 내(즉, 상기 표면 또는 상기 바닥 계면을 경계 짓지 않는)의 입자들의 존재를 설명하기 위한 모델로 받아들여졌다. 최근, TR 연구들에 기초하여, 스티플러의 모델이 부정확하다는 것이 발견되었다.
대신 현재의 TR 연구들은 seg-Si가 (즉, 계면에서) 불균일한 핵 형성과 후속되는 결함성 코어 구조의 용량 재휘현상, 재-용융 및 재-고화의 결과임을 주장하는 모델을 제공한다. 따라서, 이러한 시나리오의 초기 단계들은 flg-Si를 야기하는 단계들과 등가이며, 상기 결함성 코어 영역이 저-결함-밀도의 입자들로 재-용융되고 재고화되어 seg-Si를 형성한다는 차이를 갖는다.
스티플러의 데이터에 대하여는, 상기 미세구조 결정화는 상면평면 주사전자현미경(SEM), 투사전자현미경(TEM) 및 원자력 현미경(AFM) 상들에 기초하였다. 그러나, 이는 상기 TR 데이터에서의 특징들 모두를 설명하기에는 불충분하였다. 특히, 스티플러의 모델은 진공 분위기 내에서 레이저 조사 이전에 원래의 표면 SiO2층을 제거하고 수행된 실험들로부터 관측될 수 있는 전면 TR(front side TR ; "FTR")에서의 강하 이전에 발생하는 배면 TR(back side TR ; "BTR")에서의 강하를 설명할 수 없었다.
현재, 저면평면과 마찬가지로 단면의 투사전자현미경 특정화에 기초하여, 이러한 TR 강하가 상방으로 성장하고 상기 막의 상부에서 더 크게 되는 것으로 보이는 바닥 영역 근처의 보다 소립자를 갖는 미세구조라는 결과를 가져오는 것으로 결정되었다. 반면에, BTR 및 FTR의 거의 동시적인 강하는 스티플러에 의해 처음 관측된 바와 같은(균일한 TFT를 제조하기 위하여 가장 최적인 것으로 더욱 기대되는) 상기 seg-Si 미세구조의 형성을 위한 필수적인(그러나 충분하지는 않은) 조건이다.
통상적으로, 이질성 핵 형성은 단지 상기 막의 바닥 계면에서만 일어나는 것으로 이해되고 있다. 전면 TR에서의 강하는 상기 막의 상부 계면(즉, 표면/표면근처)에서의 핵 형성의 개시(onset)에 대응한다. 계속해서, 상기 막의 양 측면 상에서의 핵 형성의 동시적인 개시(전면 및 배면 TR에서의 TR 신호에서의 동시적인 강하에 의해 입증된 바와 같이)는 상기 막으로 다시 방출되는 잠열의 양의 거의 2배이고 따라서 결함성 코어 영역의 훨씬 더 효과적이고/과도한 재-용융/재고화의 결과를 가져온다. 상기 표면/표면 근처에서의 핵 형성은 계면의 존재를 필요로 한다. 이러한 계면은 예를 들면 (천연의) 산화물을 가질 수 있다. 이러한 산화물막은 조사 이전에 존재할 수 있거나 또는 산소가 존재하는 경우에 방사 동안에 형성될 수 있다. 분위기에 따라, 핵 형성을 위한 적절한 계면의 형성을 야기할 수 있는 다른 표면 반응들이 일어나는 것이 가능하다. 더욱이, 이러한 탑층 없이(예를 들면, 천연의 산화물의 제거에 의하여) 방사 동안에 이러한 탑층의 형성의 능력 없이(예를 들면, 진공 하에서의 방사에 의하여), 결국 표면 핵 형성이 일어나지 않고 스티플러에 의해 관측된 바와 같이 seg-Si가 형성되지 않았다. 마지막으로, 상대적으로 낮은 에너지 밀도로 조사된 일부 샘플에 있어서, 동시적인 TR 신호 강하는 관측되었으나, 스티플러 seg-Si는 관측되지 않았다. 현재 이는 상기 상부 계면에서의 핵 형성을 통하여 형성된 고체들의 완전 재-용융의 결과일 것이라고 여겨지고 있다. 게다가, 100㎚보다 얇은 막은 또한 동시적 TR 강하를 보여줄 수 있으나, 그러나 상기 막의 용적 내에서의 잠열의 양은 결함성 코어 영역의 훨씬 더 효과적이고/과도한 재-용융/재고화의 결과를 가져오기에는 불충분한 것으로 나타난다.
도 10a 및 도 10b는 최근 TR 연구의 결과들을 도시하고 있다. 도 10a는 진공 중에서 표면 산화물층이 없는 유리 기판 상의 150㎚ 무정형-실리콘에 대한 FTR 및 BTR을 도시하고 있다. 상기 그래프 내의 기저선(base line)(1400)은 상기 막에 의하여 경험된 조사이다. 상기 선 위는 CMT의 서로 다른 값들에 대한 반사율값들이다. 도 10a의 x축은 나노초로의 시간이고 y축은 반사율의 정규화된 값(normalized value)이다. 도 10b가 공기 중에서의 결과를 도시한다는 것을 제외하고는 도 10b는 도 10a와 유사하다. 도 10b는 FTR 신호가 BTR에 대하여 동시적으로 강하를 개시하는 것으로 여겨지는 1.38 CMT의 에너지 밀도 하에서의 FRT에서의 강하 이전에 BTR 신호가 강하(상기 그래프에서 레이저 신호 위의 바닥에 위치하는 일련의 신호들)하는 것을 나타내고 있다. 따라서, 진공이 없는 시나리오에서조차도, seg-Si 미세구조를 얻기 위해서는 보다 높은 에너지가 요구된다. 도 10a 및 도 10b에 나타난 바와 같이, 고체 및 액체 사이의 반사값 차이가 상당히 크기 때문에, TR 데이터로부터 고체로부터 액체로의 전환 및 그의 역의 개시를 구별할 수 있다. FTR 및 BTR 데이터 및 그 결과의 미세구조(도 11b에 나타낸) 둘 다를 고려하여 이질성 핵 형성이 암시될 수 있다. 도 11a는 1.32 CMT에서 공기 중에서 1.4 CMT에서 진공 내에서 200㎚ a-Si 막에 대한 정규화된 반사값(y-축) 대 나노초의 시간(x-축)의 그래프를 도시하고 있다. 도 11b는 공기 분위기 중에서 얻어진 미세구조의 상이다. 도 11c는 상기 진공 분위기 중에서 얻어지는 미세구조의 상이다. 상기 2개의 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 도 11b는 상기 막의 두께(1520)을 통하여 보다 큰 결정들을 보여주고 있다. 도 11c는 상기 막의 표면 근처에서는 양호한 결정 품질을, 그러나 상기 기판(1540)과의 계면 근처에서는 불량한 작은 결정을 나타낸다. 따라서, 진짜 3D의 seg-Si는 공기 중에서 얻어지며 여기에서는 표면에서의 반응이 발생하여 표면에서와 마찬가지로 바닥 계면에서의 이질성 핵 형성에 대한 산화물층을 형성할 수 있으나, 이질성 핵 형성이 단지 바닥 계면에서만 발생할 수 있는 진공 중에서는 그렇지 않다.
소립의 실리콘을 제조하기 위한 (증착 기술을 포함하여) 많은 다른 방법들과는 달리, 바닥/바닥 근처의 결정이 저결함 밀도 및 보다 큰 크기를 갖기 때문에 본 방법은 바텀-게이트 TFT의 제조에 특히 흥미롭다. 따라서, 전형적인 바텀-게이트 LTPS TFT는 낮은 이동도 및 아마도 또한 높은 누설 전류로 고통받는다. 바텀 게이트 TFT의 제조는 실리콘막 아래 절연층(게이트 유전체)에 의하여 그로부터 분리된 패턴화된 금속막(게이트)의 형성을 요구한다. 레이저 조사 동안, 이러한 금속막은 열흡수재(heat sink)로서 작용할 수 있으며, 국부적 완전 용융 문턱값(CMT) 에너지 밀도의 이동이라는 결과를 가져올 수 있다. CMT에서의 이러한 국부적 이동이 고려된다면, seg-Si 형성에 도달하기 위한 조건이 동일하게 남는다는 것이 밝혀졌다. 예를 들면, 100㎚ 두께의 산화물막에 의해 상기 실리콘막으로부터 분리된 100㎚ 두께의 금속에 대하여는, 완전 용융 문턱값에서의 이러한 이동은 전형적으로는 15% 내지 20% 더 높을 수 있다. seg-Si 형성을 위한 하나의 조건은 따라서 상기 국부적 CMT보다 1.3 내지 1.4배 더 큰 에너지 밀도로 조사하는 것이다. 상기 에너지 밀도가 너무 높아서 응결 또는 삭마(ablation)를 통한 열흡수재를 갖지 않는 주변 막의 손상을 야기하지 않아야 함을 주의하여야 한다. 예를 들면, 100㎚의 금속 게이트의 상부 상의 100㎚ 두께의 산화물의 상부 상의 100㎚의 두께의 막에 대하여는, 상기 막은 상기 국부적 완전 용융 문턱값의 1.4배 또는 상기 주위의 막의 완전 용융 문턱값의 대략 1.61 내지 1.68배 사이로 조사될 수 있으며, 이는 상기 막의 손상 문턱값 아래이다.
스티플러가 사용한 실험 조건들은 본 공정의 조건들과는 어느 정도 구별된다. 스티플러는 보다 짧은 레이저 펄스(30㎱ 대 본 기술된 대략 80㎱)를 사용하였고, 또한 보다 열적으로 전도성인 기판들: 즉 SOI(Si 기판 상의 250㎚의 얇은 SiO2 상의 Si 막) 또는 사파이어 상의 Si를 사용하였다. 일반적으로, 균질한 핵 형성은 매우 신속한 퀀칭(quenching)을 요구한다. 유리 기판 및 보다 긴 펄스를 포함하는 현재 기술된 공정의 조건은 보다 덜 신속한 퀀칭 및 그에 따라 균질한 핵 형성의 감소된 가능성 및 이질성 핵 형성의 증가된 가능성의 결과를 야기한다. 스티플러가 사용한 산화물 두께는 신속한 냉각을 피하기에는 충분치 않다. 따라서, 상기 유리 기판은 스티플러의 배치에 비하여 훨씬 더 느린 냉각을 가져온다. 따라서, 본 방법은 스티플러 재료가 어떤 일이 일어나는 지의 정확한 이해의 덕택으로 얻어질 수 있는 유용하고, 실질적인 조건을 구현한다.
본 상세한 설명의 구체예들에 따라 생성된 상기 샘플에는 SiO2-코팅 유리, 석영(또는 또한 산화된 Si 웨이퍼) 상의 100 내지 300㎚의 Si 막이 포함된다. 여러 펄스 지속시간(30 내지 250나노초 FWHM) 및 에너지 밀도들에서 상기 막을 조사하는 데 엑시머-레이저-기반 시스템(308㎚)이 사용되었다. 전면 및 배면 일시적 반사율 측정을 사용하여 현장 분석(in situ analysis)이 수행되었다. 조사된 재료들의 특정화는 투사전자현미경을 사용하여 수행되었다. 이에 대해서는, 문헌[Yikang "Vacuum Experiment Update: Microstructure analysis" (September 2, 2009)]을 참조할 수 있다.
실시예
대구경 TV에 대하여, 픽셀 피치는 660㎛가 될 수 있다. 600㎐ 레이저로, 스캔속도는 따라서 약 40㎝/s가 될 수 있다. 이러한 조건은 60% 광학 효율로 가정하여 약 640 mJ/㎠ 펄스에 대하여 100㎛×75㎝ 빔으로 형상화된 0.8 J 펄스를 사용하여 달성될 수 있다. 계속해서, 4-튜브 레이저를 사용하여, 완전 결정화에 도달하기 위하여는 5개의 중첩된 스캔이 요구되었다. 2.2×2.5㎡ 패널에 대하여, 결정화 시간은 3개의 평행한 스캔×(250㎝/40㎝/s)×5회 중첩된 스캔 = 93.75초이다. 5초의 가속/감속 시간, 평행한 스캔들 사이의 10초의 시간 및 60초의 로딩(loading) 및 언로딩(unloading) 시간을 고려한다. 따라서 총 공정 시간은 약 95+5×5+2×10+60 = 200초이다. 더욱 줄잡아서는 5분의 공정시간이 가정될 수 있다. 따라서 이는 60/5×24×30 = 약 8.5k 패널/월과 같다.
통상의 20회의 샷, 즉 막의 단위 면적 당 20개의 레이저 펄스의 ELA 공정이 400㎛×75㎝ 빔을 얻기 위하여 4개의 레이저 튜브를 동시적으로 격발시키는 것을 필요로 하고 있다. 20회의 샷에 대해서는, 스캔 속도는 1.2㎝/초가 될 것이고 결정화 시간은 3×(250/1.2) = 625초가 될 것이다. 총 공정 시간은 가속/감속 시간을 무시하고도 625+2×10+60 = 705초이다. 더욱 보수적으로는 12.5분의 공정 시간이 가정될 수 있으며, 따라서 처리량은 약 3.4k 패널/월이다.
비록 본 발명의 실시예들을 나타내고 기술하였으나, 여러 변화 및 변경이 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 그 안에서 이루어질 수 있음이 당업자에 의해 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 예로써, 선택된 방향으로 박막을 전진시키는 것은 레저 빔을 고정시키고 상기 레이저 공급원에 대하여 상기 막을 이동시키는 것에 의해서뿐만 아니라, 상기 막이 고정되고 상기 빔이 이동되는 구체예로 수행될 수 있음이 인식되어야 한다.

Claims (49)

  1. 박막을 제1선택방향으로 전진시키면서,
    상기 박막의 제1영역을 제1레이저 펄스 및 제2레이저 펄스로 조사하는 단계로서, 각 레이저 펄스가 형상화된 빔을 제공하고 상기 박막을 부분적으로 용융시키기에 충분한 플루언스(fluence)를 가지며, 상기 제1영역은 재고화(re-solidifying)되고 결정화(crystallizing)되어 제1결정화 영역을 형성하는 것인 제1 및 제2레이저 펄스의 조사단계; 및
    상기 박막의 제2영역을 제3레이저 펄스 및 제4레이저 펄스로 조사하는 단계로서, 각 펄스가 형상화된 빔을 제공하고 상기 박막을 부분적으로 용융시키기에 충분한 플루언스를 가지며, 상기 제2영역은 재고화되고 결정화되어 제2결정화 영역을 형성하는 것인 제3 및 제4레이저 펄스의 조사단계를 포함하되,
    상기 제1레이저 펄스와 상기 제2레이저 펄스 사이의 시간 간격이 상기 제1레이저 펄스와 상기 제3레이저 펄스 사이의 시간 간격의 절반 미만인 것인, 박막의 가공방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1레이저 펄스와 상기 제2레이저 펄스 사이의 시간 간격이 상기 박막의 단일 용융 및 고화 사이클에 대한 시간 간격보다 더 긴 것인 박막의 가공방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1레이저 펄스 및 상기 제2레이저 펄스 각각은 동일한 에너지 밀도를 갖는 것인 박막의 가공방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1레이저 펄스 및 상기 제2레이저 펄스 각각은 서로 다른 에너지 밀도를 갖는 것인 박막의 가공방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1레이저 펄스 및 상기 제2레이저 펄스 각각은 상기 박막의 동일한 정도의 용융을 달성하는 것인 박막의 가공방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1레이저 펄스 및 상기 제2레이저 펄스 각각은 상기 박막의 서로 다른 정도의 용융을 달성하는 것인 박막의 가공방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 박막은 선재성 결정자가 없는 무정형 실리콘막을 포함하는 것인 박막의 가공방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1레이저 펄스는 상기 무정형 실리콘막을 용융시키고 결함성의 코어 영역을 갖는 결정 구조를 형성하기에 충분한 에너지 밀도를 갖는 것인 박막의 가공방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2레이저 펄스는 상기 결함성의 코어 영역을 재-용융시키고, 균일한 미립자의 결정막을 형성하기에 충분한 에너지 밀도를 갖는 것인 박막의 가공방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 박막은 무정형 실리콘막을 포함하는 것인 박막의 가공방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 박막은 저압 화학기상증착, 플라즈마 촉진 화학기상증착, 스퍼터링 및 전자선 증착 중의 하나를 사용하여 증착되는 것인 박막의 가공방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 박막이 가공된 실리콘막을 포함하는 것인 박막의 가공방법.
  13. 제12항에 있어서, 후속하여 상기 무정형 실리콘막을 제2선택방향으로 전진시키면서, 상기 무정형 실리콘막을 부분적으로 용융시키기에 충분한 플루언스를 갖는 연장된 레이저 펄스로 상기 무정형 실리콘막을 조사하는 단계를 포함하는 방법에 따라 가공된 상기 가공된 실리콘막이 선재성 결정자가 없는 무정형 실리콘막인 것인 박막의 가공방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 연장된 레이저 펄스는 다수의 레이저 공급원으로부터의 레이저 펄스의 순차적 중첩에 의해 생성되며, 여기에서 펄스들 간의 지연은 단일 용융 및 고화 사이클을 유도하기에 충분히 짧은 것인 박막의 가공방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 무정형 실리콘막은 플라즈마 촉진 화학기상증착을 통해 얻어지는 것인 박막의 가공방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 연장된 레이저 펄스는 300㎱ 초과 반치폭의 펄스 길이를 갖는 것인 박막의 가공방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 가공된 실리콘막은, 상기 실리콘막을 제2선택방향으로 전진시키면서, 상기 실리콘막을 완전히 용융시키기에 충분한 플루언스를 갖는 레이저 펄스로 상기 실리콘막을 조사하는 단계를 포함하는 방법에 따라 가공된 실리콘막인 것인 박막의 가공방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 레이저 펄스는 다수의 레이저 공급원으로부터 레이저 펄스의 중첩에 의해 생성되는 것인 박막의 가공방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 박막을 제2선택방향으로 전진시키면서,
    상기 박막의 제3영역을 제5레이저 펄스 및 제6레이저 펄스로 조사하는 단계로서, 각 레이저 펄스가 형상화된 빔을 제공하고 상기 박막을 부분적으로 용융시키기에 충분한 플루언스를 가지며, 상기 제3영역은 재고화되고 결정화되어 제3결정화영역을 형성하는 것인, 제5 및 제6레이저 펄스의 조사단계; 및
    상기 박막의 제4영역을 제7레이저 펄스 및 제8레이저 펄스로 조사하는 단계로서, 각 펄스가 형상화된 빔을 제공하고, 상기 박막을 부분적으로 용융시키기에 충분한 플루언스를 가지며, 상기 제4영역은 재고화되고 결정화되어 제4결정화영역을 형성하는 것인, 제7 및 제8레이저 펄스의 조사단계를 포함하되,
    상기 제5레이저 펄스와 상기 제6레이저 펄스 사이의 시간 간격이 상기 제5레이저 펄스와 상기 제7레이저 펄스 사이의 시간 간격의 절반 미만인 것인 박막의 가공방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제2선택방향은 상기 제1선택방향에 대향되고, 상기 제3영역은 상기 제2영역과 중첩되며, 상기 제4영역은 상기 제1영역과 중첩되는 것인 박막의 가공방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 제2선택방향은 상기 제1선택방향과 동일하고, 상기 제3영역은 상기 제1영역과 중첩되며, 상기 제4영역은 상기 제2영역과 중첩되는 것인 박막의 가공방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 제2선택방향 내에서 상기 박막을 전진시키기에 앞서 상기 박막을 상기 제1선택방향에 대하여 수직인 방향으로 이동시키는 단계를 포함하는 것인 박막의 가공방법.
  23. 제1항에 있어서, 각 레이저 펄스는 균일한 에너지 밀도를 갖는 상부를 갖는 선형 빔을 포함하는 것인 박막의 가공방법.
  24. 제1항에 있어서, 각 레이저 펄스는 투광 조사 펄스를 포함하는 것인 박막의 가공방법.
  25. 제1항의 방법에 따라 가공된 박막.
  26. 상기 박막의 다수의 결정화영역 내에 위치되는 다수의 전자회로들을 포함하는, 제1항의 방법에 따라 가공된 박막을 포함하는 소자.
  27. 제26항에 있어서, 상기 소자는 디스플레이 소자를 포함하는 것인 소자.
  28. 레이저 펄스를 생성하기 위한 1차 및 2차 레이저 공급원;
    기판 상에 박막을 고정시키기 위한 작업 표면;
    상기 박막을 상기 빔 펄스에 대하여 이동시킴으로써, 상기 박막의 표면 상에 상기 레이저 빔 펄스의 전개방향을 형성시키기 위한 스테이지(stage); 및
    1차 공급원으로부터의 제1레이저 펄스에 의하여 조사될 이동가능한 스테이지 내에 적재된 박막의 제1영역, 2차 공급원으로부터의 제2레이저 펄스에 의하여 조사될 상기 박막의 제2영역 및 상기 1차 공급원으로부터의 제3레이저 펄스에 의하여 조사될 상기 박막의 제3영역을 제공하도록 스테이지 동기화 레이저 펄스화를 위한 처리 명령들을 가지는 컴퓨터를 포함하되,
    처리 명령들이 상기 제1, 제2및 제3영역들을 조사하도록 상기 전개방향 내에서 상기 빔 펄스에 대하여 상기 막을 이동시키도록 제공되고,
    상기 제1영역의 중심과 상기 제2영역의 중심 사이의 거리가 상기 제1영역의 중심과 상기 제3영역의 중심 사이의 거리의 절반 미만이며,
    상기 제1, 제2및 제3레이저 펄스가 상기 박막을 부분적으로 용융시키기에 충분한 플루언스를 갖는 것인, 비주기적 레이저 펄스를 사용하여 박막을 가공하기 위한 시스템.
  29. 제28항에 있어서, 상기 스테이지는 일정한 속도로 이동하는 것인, 비주기적 레이저 펄스를 사용하여 박막을 가공하기 위한 시스템.
  30. 선재성 결정자(pre-existing crystallite)가 없는 무정형 실리콘막을 미립자 막으로 전환시키는 방법으로서,
    상기 무정형 실리콘막을 제1선택방향으로 전진시키면서, 상기 무정형 실리콘막을 부분적으로 용융시키기에 충분한 플루언스를 갖는 연장된 레이저 펄스로 상기 무정형 실리콘막을 조사하는 단계를 포함하되,
    상기 미립자 막은 상기 막의 두께보다 작은 평균 측면 크기를 갖는 미립자를 포함하는 것인, 무정형 실리콘막의 미립자 막으로의 전환방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 연장된 레이저 펄스가 300㎱ 초과 반치폭의 펄스 길이를 갖는 것인, 무정형 실리콘막의 미립자 막으로의 전환방법.
  32. 제30항에 있어서, 상기 연장된 레이저 펄스가 다수의 레이저 공급원으로부터의 레이저 펄스들의 지연된 중첩에 의하여 생성되며, 펄스들 간의 지연은 단일 용융 및 고화 사이클을 유도하기에 충분히 짧은 것인, 무정형 실리콘막의 미립자 막으로의 전환방법.
  33. 제30항에 있어서, 상기 무정형 실리콘막은 플라즈마 촉진 화학기상증착을 통하여 얻어지는 것인, 무정형 실리콘막의 미립자 막으로의 전환방법.
  34. 기판에 인접하는 바닥 표면에 위치되는 바닥 계면과 상기 바닥 표면에 대향되는 상부 표면을 갖는 반도체 박막을 기판 상에 제공하는 단계; 및
    상기 막의 완전 용융 문턱값보다 1.3배 더 큰 에너지 밀도를 가지며, 상기 에너지 밀도는 상기 막을 완전히 용융시키도록 선택되는 레이저 빔으로 상기 박막을 조사하는 단계를 포함하되,
    고화의 개시 시 반도체 막의 상부 표면에 표면 계면을 형성하도록 캡층이 제공되고,
    조사 및 상기 막의 완전한 용융 이후 불균일한 핵 형성이 상기 상부 계면과 상기 바닥 계면 둘 다에서 발생하며,
    냉각에 의하여 상기 불균일한 핵 형성이 상기 막의 상기 바닥 표면에 저-결함의 실리콘 입자를 형성하는 단계를 포함하는, 박막을 가공하는 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 레이저 빔은 80㎱ 초과의 펄스 지속시간을 갖는 것인 박막을 가공하는 방법.
  36. 제34항에 있어서, 상기 레이저 빔은 200㎱ 초과의 펄스 지속시간을 갖는 것인 박막을 가공하는 방법.
  37. 제34항에 있어서, 상기 레이저 빔은 400㎱ 초과의 펄스 지속시간을 갖는 것인 박막을 가공하는 방법.
  38. 제34항에 있어서, 상기 반도체 박막은 약 100㎚ 내지 약 300㎚ 사이의 두께인 실리콘막을 포함하는 것인 박막을 가공하는 방법.
  39. 제34항에 있어서, 상기 기판은 유리를 포함하는 것인 박막을 가공하는 방법.
  40. 제34항에 있어서, 상기 기판은 석영을 포함하는 것인 박막을 가공하는 방법.
  41. 제34항에 있어서, 상기 입자는 작은 등축의 입자를 포함하는 것인 박막을 가공하는 방법.
  42. 제34항에 있어서, 상기 레이저 빔의 에너지 밀도는 국부적 완전 용융 문턱값의 1.4배인 것인 박막을 가공하는 방법.
  43. 제34항에 있어서, 상기 캡층은 조사 이전에 상기 박막의 상기 상부 표면 상에 박층을 증착시키는 것에 의해 형성되는 것인 박막을 가공하는 방법.
  44. 제43항에 있어서, 상기 캡층은 50㎚ 미만의 두께를 갖는 산화물층을 포함하는 것인 박막을 가공하는 방법.
  45. 제34항에 있어서, 상기 캡층은 함산소 분위기 내에서 상기 박막을 조사하는 것에 의해 형성되는 것인 박막을 가공하는 방법.
  46. 제45항에 있어서, 상기 함산소 분위기는 공기를 포함하는 것인 박막을 가공하는 방법.
  47. 제45항에 있어서, 상기 함산소 분위기는 단지 산소만을 포함하는 것인 박막을 가공하는 방법.
  48. 제34항에 있어서, 상기 기판은 절연막으로 피복된 패턴화 금속막을 포함하며, 상기 에너지 밀도는 상기 박막의 완전 용융 문턱값의 1.3배보다 더 큰 박막을 가공하는 방법.
  49. 패턴화 금속막이 바텀 게이트(bottom gate)를 포함하고 절연막이 게이트 유전체를 포함하는, 제48항의 방법에 따라 제조된 바텀-게이트 TFT.
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