KR20140142568A - 다결정 규소막의 검사 방법 - Google Patents

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Abstract

다결정 규소막의 검사 방법은 다결정 규소막에 여기광을 조사하는 단계 및 상기 여기광에 의해 발생한 포토 루미네선스 신호를 검출하는 단계를 포함하고, 상기 여기광의 평균 파워는 1W/cm2 내지 10W/cm2의 범위를 갖고, 상기 여기광의 피크 파워는 100W/cm2 내지 1000W/cm2의 범위를 갖는다.

Description

다결정 규소막의 검사 방법{METHOD FOR INSPECTING POLYCRYSTAL SILICON LAYER}
본 발명은 다결정 규소막의 검사 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다결정 규소막의 결정화도 또는 결정 입자를 검사하는 검사 방법에 관한 것이다.
유기 발광 표시 장치(organic light emitting diode display) 및 액정 표시 장치(liquid crystal display) 등과 같은 평판형 표시 장치들은 박막 트랜지스터(thin film transistor)를 포함한다. 특히, 저온 다결정 규소 박막 트랜지스터(LTPS TFT)는 전자 이동도(carrier mobility)가 우수하여 고속 동작 회로에 적용이 가능하며 CMOS 회로 구성도 가능하다는 장점이 있어 널리 사용되고 있다.
저온 다결정 규소 박막 트랜지스터는 비정질 규소막을 결정화시켜 형성된 다결정 규소막을 포함한다. 비정질 규소막을 결정화하는 방법은 고상 결정화법(solid phase crystallization), 엑시머 레이저 결정화법(excimer laser crystallization), 및 금속 촉매를 이용한 결정화 방법 등이 있다.
다양한 결정화 방법 중 레이저를 이용한 결정화 방법은 저온 공정이 가능하여 상대적으로 기판에 미치는 열적 영향이 적고, 상대적으로 높은 전자 이동도를 갖는 우수한 특성의 다결정 규소막을 만들 수 있기 때문에 널리 이용되고 있다.
한편, 이와 같은 결정화 방법에 의해 얻어진 다결정 규소막이 적절하게 결정화되었는지 확인할 필요가 있고, 이를 위해 다결정 규소막에 여기광을 조사하고, 다결정 규소막으로부터 방출되는 광으로부터 얻어지는 정보를 분석하여 다결정 규소막의 결함 존재 여부를 확인할 수 있다.
이 때 결함 존재 여부를 판별할 수 있을 만큼 충분한 정보를 얻기 위해서는 다결정 규소막에 조사되는 여기광의 강도를 높여야 하는데 이 경우 박막의 다결정 규소막이 손상될 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 박막의 다결정 규소막에 대해서 규소막의 손상을 발생시키지 않으면서도 고효율로 결함 여부를 검사할 수 있는 다결정 규소막의 검사 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다결정 규소막의 검사 방법은 다결정 규소막에 여기광을 조사하는 단계, 및 상기 여기광에 의해 발생한 포토 루미네선스 신호를 검출하는 단계를 포함한다. 여기서 상기 여기광의 평균 파워는 1W/cm2 내지 10W/cm2의 범위를 갖고, 상기 여기광의 피크 파워는 100W/cm2 내지 1000W/cm2의 범위를 갖는다.
상기 여기광의 피크 파워는 300W/cm2 내지 500W/cm2의 범위를 가질 수 있다.
상기 여기광은 300nm 내지 400nm 범위 내의 파장을 가질 수 있다.
상기 다결정 규소막은 1nm 내지 300nm 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
상기 다결정 규소막은 유전체를 포함하는 기판 상에 형성되어 있을 수 있다.
상기 다결정 규소막과 상기 기판 사이에 절연막이 더 형성되어 있을 수 있다.
상기 절연막은 산화 규소(SiO2)막, 질화 규소(SiN)막, 또는 이들의 적층막을 포함할 수 있다.
상기 기판은 유리를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다결정 규소막의 검사 방법을 통하여 다결정 규소막의 손상 없이 고효율로 다결정 규소막의 결함 여부를 검사할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 규소막의 검사 방법에 사용하는 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 적용예 1에서 얻어진 포토 루미네선스 신호(PL)를 검출한 결과를 촬영한 화상이다.
도 3은 본 발명의 적용예 2에서 얻어진 포토 루미네선스 신호(PL)를 검출한 결과를 촬영한 화상이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 규소막 검사 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 규소막의 검사 방법에 사용되는 장치를 나타내는 구성도이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 다결정 규소막 검사 장치(101)는 광원부(110) 및 검출부(120)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 규소막의 검사 방법에 의한 검사 대상이 되는 다결정 규소막(210)은, 기판(220) 상에 형성되고, 고상 결정화법(solid phase crystallization), ELA(Excimer Laser Annealing) 결정화법, SGS(Super Grain Silicon) 결정화법 등의 방법에 의해 결정화된다. 이 때, 기판(220)은 유전체로 이루어질 수 있고, 예를 들면 절연막(도시하지 않음) 등이 형성된 유리 기판일 수 있다. 절연막으로는 산화 규소(SiO2)막, 질화 규소(SiN)막 또는 이들의 적층막이 형성될 수 있다. 이러한 절연막은, 기판(220)으로부터 다결정 규소막(210)으로 불순물 등이 확산되는 것을 방지할 수 있다. 다결정 규소막(210)은 1~300nm의 두께로 형성될 수 있고, 보다 구체적으로는 30~100nm의 두께로 형성될 수 있다.
광원부(110)는 다결정 규소막(210)의 표면으로 여기광(L)을 출사한다. 검출부(120)는 다결정 규소막(210)으로부터 반사된 포토 루미네선스 신호(PL)을 검출한다. 검출부(120)에 의해 검출된 포토 루미네선스 신호(PL)는 제어부(도시하지 않음)로 전송되고, 제어부에서 포토 루미네선스 신호(PL)의 강도 및 스펙트럼 등을 평가하는 것에 의해 다결정 규소막(210)의 막질을 평가할 수 있다.
이러한 검사 방법에 있어서, 다결정 규소막(210)의 두께가 300nm 이하로 매우 얇은 경우, 두께 대비 표면의 비율이 높기 때문에 여기광(L)에 의해 발생된 자유 캐리어의 표면 재결합 속도가 매우 빨라지게 되어 자유 캐리어의 수명이 매우 짧아지게 되어 포토 루미네선스 신호(L)의 강도가 현저한 감소를 야기시킨다. 또한, 일반적으로 실리콘의 포토 루미네선스 연구에 널리 사용되는 가시광선 또는 적외선을 이용하여 유전체로 이루어진 기판(220)상에 형성된 다결정 규소막(210)을 검사하는 경우, 포토 루미네선스 신호(PL)를 발생시킬 수 있는 여기광(L) 중 많은 부분이, 다결정 규소막(210)이 아닌 기판(220)으로 침투해 버리기 때문에, 가시광선 및 적외선 스펙트럼에서의 광흡수도가 낮아지게 된다. 이 때문에, 기판(220)으로부터 발생하는 포토 루미네선스 신호(PL)가 다결정 규소막(210)으로부터 발생하는 신호보다 훨씬 더 높아지게 되어, 검출부(120)에 의해 검출된 포토 루미네선스 신호(PL)가 기판(220)으로부터의 신호인지, 다결정 규소막(210)으로부터의 신호인지 구분이 어려워진다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 규소막의 검사 방법에 의하면 유전체로 이루어진 기판(220)상에 형성된 박막의 다결정 규소막(210)에 대해서도 충분하게 포토 루미네선스 신호(PL)를 발생시킬 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 다결정 규소막의 검사 방법에서는, 여기광(L)으로서 1~10W/cm2의 평균 파워를 갖고, 100~1000W/cm2의 피크 파워를 가지며, 광파장이 300~400nm 범위인 펄스 UV 레이저를 다결정 규소막(210)에 조사한다.
포토 루미네선스 신호(PL)의 효율을 검출 가능한 수준으로 높이기 위해서는, 여기광(L)에 의해 생성된 자유 캐리어가 소멸되지 않도록 해야 하는데, 박막의 다결정 규소막(210)에서는 상술한 바와 같이 두께 대비 표면의 비율이 높기 때문에 여기광(L)에 의해 발생된 자유 캐리어의 표면 재결합 속도가 매우 빨라지게 되고, 이러한 재결합에 의해 자유 캐리어가 소멸되어 버린다. 따라서, 포토 루미네선스 신호(PL)의 효율 증가를 위해서는 상기 재결합을 차단해야 하고 이를 위한 방법으로서, 재결합의 중심이 되는 캐리어 트랩을 포화시킬 필요가 있다. 캐리어 트랩의 포화를 위해서는 적어도 170W/cm2 이상의 파워를 갖는 여기광(L)을 조사할 필요가 있는데, 이와 같이 높은 에너지의 여기광(L)을 다결정 규소막(210)에 조사할 경우, 다결정 규소막(210) 하부에 위치하는 기판(220)의 열전도도가 낮기 때문에, 이에 의해 다결정 규소막(210)에 열적 손상이 발생하거나, 또는 다결정 규소막(210) 자체가 과열되어 측정이 일정하게 이루어질 수 없게 된다.
이를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예에서는 평균 파워 1~10W/cm2, 피크 파워 100~1000W/cm2인 여기광(L)을 이용하여 포토 루미네선스 신호(PL)를 생성시킨다. 평균 파워가 10W/cm2을 초과하는 경우, 기판에 열 축적(heat accumulation)이 발생하여 다결정 규소막(210)의 손상을 초래할 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
피크 파워의 경우 박막의 표면에서 캐리어 트랩을 포화시키기 위해서는 100W/cm2 이상이어야 하고, 열에 의해 다결정 규소막(210)이 손상되는 것을 방지하기 위해서는 1000W/cm2 이하이어야 한다. 바람직하게는 300~500W/cm2의 범위를 가질 수 있다.
또한, 여기광(L)으로 사용되는 펄스 UV 레이저는 300~400nm 범위의 파장을 가질 수 있다. 즉, 자유 캐리어를 발생시키기 위해서는 다결정 규소막(210)의 반도체 밴드갭보다 더 큰 광자 에너지를 갖는 광으로 샘플을 조사할 필요가 있다. 동시에 광이 효율적으로 박막의 다결정 규소막(210)에 흡수될 수 있어야 한다. 규소의 경우 밴드갭은 1.12eV(적외선 광에 대응하는 값임)이나, 300nm 이하의 두께를 갖는 박막일 경우에는 광자 에너지가 3eV 이상(자외선 광에 대응하는 값임)인 경우에 비로소 광이 효율적으로 흡수될 수 있다. 따라서 300~400nm 범위의 광을 사용할 경우 자유 캐리어를 발생시키기에 충분한 광자 에너지를 제공하면서도, 동시에 박막의 다결정 규소막(210)으로의 흡수율이 높아지고 이에 의해 대부분의 광이 다결정 규소막(210)에 의해 흡수될 수 있다. 즉, 대부분의 여기광(L)이 다결정 규소막(210)으로 흡수되어, 기판(220)까지 도달하지 못하기 때문에 기판(220)에 의한 포토 루미네선스 신호(PL)의 발생을 최소화 할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 포토 루미네선스 신호를 이용한 다결정 규소막(210)의 막질 검사에 있어서, 유전체로 이루어진 기판(220) 상에 형성된 박막의 다결정 규소막(210)에 대해서도, 다결정 규소막(210)의 열적 손상 없이 충분히 높은 효율의 포토 루미네선스 신호(PL)를 얻을 수 있다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 규소막의 검사 방법을 사용하여 다결정 규소막으로부터 포토 루미네선스 신호(PL)를 측정한 실험에 대해 설명한다.
실시예 1에서는, 0.7mm 두께의 기판(220) 상에, 300nm 두께의 SiN층과 150nm 두께의 SiO2층의 적층으로 이루어진 절연막을 형성한 후, 그 위에 그레인 크기가 300~600nm이고 두께가 45nm인 다결정 규소막(210)을 ELA(Excimer Laser Annealing) 결정화 방법에 의해 형성하였다. 그리고 나서, 파장 355nm, 펄스 지속시간 15ns, 반복 레이트 200kHz, 10mW의 펄스 UV 레이저로 이루어지고, 1mm 스팟으로 포커싱(즉, 1W/cm2의 평균 파워)된 여기광(L)을 상기 다결정 규소막(210)의 표면에 조사하여 여기시켰다. 여기서 여기광(L)의 피크 파워는 333W/cm2이었다.
여기광(L)에 의해 발생된 포토 루미네선스 신호(PL)를 검출부(120)로 수광하였다. 검출부(120)로는 화상 공간 NA(image space Numerical Aperture)가 0.33이고, 배율 1:15인 대물 렌즈를 이용하여, 영하 70℃로 냉각된 InGaAs 광 검출 어레이(Xeva-1.7-320 적외선 카메라)가 1초 동안 신호를 통합하도록 하였다. 이에 의하여, 잘 정의된 포토 루미네선스 신호(PL)를 얻을 수 있었다.
비교예 1에서는, 0.7mm 두께의 기판(220) 상에, 300nm 두께의 SiN층과 150nm 두께의 SiO2층의 적층으로 이루어진 절연막을 형성한 후, 그 위에 그레인 크기가 300~600nm이고 두께가 45nm인 다결정 규소막(210)을 ELA(Excimer Laser Annealing) 결정화 방법에 의해 형성하였다. 그리고 나서, 파장 355nm, 펄스 지속시간 15ns, 반복 레이트 200kHz, 10mW의 펄스 UV 레이저로 이루어지고, 1nm 스팟으로 포커싱된 여기광(L)을 상기 다결정 규소막(210)의 표면에 조사하여 여기시켰다. 여기서 여기광(L)의 평균 파워는 1W/cm2에 대응한다.
여기광(L)에 의해 발생된 포토 루미네선스 신호(PL)를 검출부(120)로 수광하였다. 검출부(120)로는 화상 공간 NA(image space Numerical Aperture)가 0.33이고, 배율 1:15인 대물 렌즈를 이용하여, 영하 70℃로 냉각된 InGaAs 광 검출 어레이(Xeva-1.7-320 적외선 카메라)가 1초 동안 신호를 통합하도록 하였다. 비교예 2에서는 포토 루미네선스 신호(PL)가 검출되지 않았다.
즉, 동일한 조건으로 형성된 45nm 두께의 박막의 다결정 규소막(210)에 대한여기에 있어서, 본 발명에 따른 실시예 1의 경우에는 평균 파워 1W/cm2의 낮은 에너지의 여기광(L)을 사용하면서도 피크 파워를 100~1000W/cm2의 범위로 하는 것에 의해 잘 정의된 포토 루미네선스 신호(PL)을 얻을 수 있었던 반면, 비교예 1의 경우에는 동일한 평균 파워 1W/cm2의 여기광(L)을 사용했음에도 그 파워가 충분하지 못하여 포토 루미네선스 신호(PL)를 관찰할 수 없었음을 알 수 있다.
이하 도 2, 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 방법을 적용한 적용예에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 적용예 1에서 얻어진 포토 루미네선스 신호(PL)를 검출한 결과를 촬영한 화상이다.
적용예 1에서는 0.7mm 두께의 기판(220) 상에, 300nm 두께의 SiN층과 150nm 두께의 SiO2층의 적층으로 이루어진 절연막을 형성한 후, 그 위에 그레인 크기가 300~600nm이고 두께가 45nm인 다결정 규소막(210)을 ELA(Excimer Laser Annealing) 결정화 방법에 의해 형성하였다. 이 때, 도 2에 나타난 바와 같이 테스트 패널을 8개의 영역(영역 1~8)으로 나누어 각각의 영역에서 다결정 규소막(210)이 서로 다른 결정화도를 가질 수 있도록 8개의 다른 수준의 레이저 파워로 테스트 패널을 열처리 하였다. 이와 같이 얻어진 테스트 패널에 대하여 파장 355nm, 펄스 지속시간 15ns, 반복 레이트 200kHz, 1W의 펄스 UV 레이저로 이루어지고, 10mm 스팟으로 포커싱된 여기광(L)을 상기 다결정 규소막(210)의 표면에 조사하여 여기시켰다. 여기서 여기광(L)의 피크 파워는 333W/cm2이었다.
이에 의해 얻어진 포토 루미네선스 신호(PL)을 상기 실시예 1에서와 동일한 방법에 의해 검출하였다. 본 실시예에 따른 검사 방법에 의해 발생한 포토 루미네선스 신호(PL)는 충분히 강하기 때문에 도 2에 도시된 바와 같이 고화질의 화상을 얻을 수 있었다. 도 2에서 오른쪽 최상단 영역(영역 5)이 가장 높은 수준의 레이저 파워로 열처리한 부분이고, 왼쪽 최하단 영역(영역 4)이 가장 낮은 수준의 레이저 파워로 열처리한 부분이다. 또한 테스트 패널의 가운데 부분은 다결정 규소막(210) 샘플의 두께가 불균일하기 때문에 다른 부분에 비해 결정화가 충분히 이루어지지 못한다. 도 2에 나타난 바와 같이 이러한 결정화 정도의 차이가 본 실시예에 따른 검사 방법에 의해 발생한 포토 루미네선스 신호(PL)로부터 명확하게 판별됨을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 적용예 2에서 얻어진 포토 루미네선스 신호(PL)를 검출한 결과를 촬영한 화상이다.
적용예 2에서는 0.7mm 두께의 기판(220) 상에, 300nm 두께의 SiN층과 150nm 두께의 SiO2층의 적층으로 이루어진 절연막을 형성한 후, 그 위에 그레인 크기가 300~600nm이고 두께가 45nm인 다결정 규소막(210)을 ELA(Excimer Laser Annealing) 결정화 방법에 의해 형성하였다. 이 때, 결정화는 일반적인 공정에 제공되는 수준의 레이저 파워로 테스트 패널 전체에 균일하게 열처리 되도록 이루어졌다. 이와 같이 얻어진 테스트 패널에 대하여 파장 355nm, 펄스 지속시간 15ns, 반복 레이트 200kHz, 1W의 펄스 UV 레이저로 이루어지고, 10mm 스팟으로 포커싱된 여기광(L)을 상기 다결정 규소막(210)의 표면에 조사하여 여기시켰다. 여기서 여기광(L)의 피크 파워는 333W/cm2이었다.
이에 의해 얻어진 포토 루미네선스 신호(PL)을 상기 실시예 1에서와 동일한 방법에 의해 검출하였다. 본 실시예에 따른 검사 방법에 의해 발생한 포토 루미네선스 신호(PL)는 충분히 강하기 때문에 도 3에 도시된 바와 같이 고화질의 화상을 얻을 수 있었다. 도 3으로부터 다결정 규소막(210) 샘플의 두께가 불균일하기 때문에 다른 부분에 비해 결정화가 충분히 이루어지지 못하는 가운데 부분을 제외한 대부분의 영역에서 양호하게 결정화가 이루어졌음을 확인할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 검사 방법에 의해 발생한 포토 루미네선스 신호(PL)로부터 명확하게 판별됨을 알 수 있다.
전술한 실시예, 비교예 및 적용예들을 통하여, 본 발명의 실시예에 따른 다결정 규소막의 검사 방법을 이용하면 다결정 규소막의 손상 없이 고효율로 다결정 규소막의 결함 여부를 검사할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
101 다결정 규소막 검사 장치 110 광원부
120 검출부 210 다결정 규소막
220 기판

Claims (8)

  1. 다결정 규소막에 여기광을 조사하는 단계; 및
    상기 여기광에 의해 발생한 포토 루미네선스 신호를 검출하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 여기광의 평균 파워는 1W/cm2 내지 10W/cm2의 범위를 갖고, 상기 여기광의 피크 파워는 100W/cm2 내지 1000W/cm2의 범위를 갖는
    다결정 규소막의 검사 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 여기광의 피크 파워는 300W/cm2 내지 500W/cm2의 범위를 갖는
    다결정 규소막의 검사 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 여기광은 300nm 내지 400nm 범위 내의 파장을 갖는
    다결정 규소막의 검사 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다결정 규소막은 1nm 내지 300nm 범위 내의 두께를 갖는
    다결정 규소막의 검사 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다결정 규소막은 유전체를 포함하는 기판 상에 형성되어 있는
    다결정 규소막의 검사 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 다결정 규소막과 상기 기판 사이에 절연막이 더 형성되어 있는
    다결정 규소막의 검사 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 절연막은 산화 규소(SiO2)막, 질화 규소(SiN)막, 또는 이들의 적층막을 포함하는
    다결정 규소막의 검사 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 기판은 유리를 포함하는
    다결정 규소막의 검사 방법.
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