KR100316272B1 - 레이저 어닐링 장비 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저 어닐링 장비에 관한 것으로, 실리콘 기판을 홀딩(holding)하는 진공척을 이동스테이지에 설치하여 레이저빔이 조사되는 동안에는 실리콘 기판의 위치변경을 억제하여 레이저 결정화가 실리콘 기판 전체에 균일하게 진행되게 하기 위하여, 레이저광원과, 상기 레이저광원으로부터 나오는 레이저광의 에너지와 형상을 패터닝하는 광학시스템과, 상기 패터닝된 레이저광에 의하여 레이저 결정화를 진행하기 위한 실리콘 실리콘 기판을 진공흡착에 의하여 지지하는 진공척과, 상기 진공척을 지지하되, 상기 진공척을 소정의 방향으로 운반하기 위한 수단으로서의 이동스테이지를 포함하도록 구성되며, 실리콘 기판 전면에 SLS 기술을 균일하게 진행할 수 있어서 결정화 정도를 향상시킬 수 있다.

Description

레이저 어닐링 장비{LASER ANNEALING APPARATUS}
본 발명은 레이저 어닐링 장비에 관한 것으로 특히, 실리콘을 결정화하기 위한 연속측면고상화(Sequential Lateral Solidification, 이하, SLS이라 함) 기술에 사용되는 레이저 어닐링 장비에 관한 것이다.
SLS 기술은 실리콘 박막을 결정화하는 방법 중의 하나인 레이저 결정화에 이용된다. 실리콘 그레인(grain)이 액상 실리콘 영역과 고상 실리콘 영역의 경계면에서 그 경계면에 대하여 수직방향으로 성장하는 사실을 이용한다.
SLS 기술에 의하여 실리콘 박막을 결정화하는 공정을 간략히 설명하면 다음과 같다.
우선, 실리콘 박막에 실리콘 부분을 전부 녹일 수 있을 정도의 충분한 에너지를 가지는 소정 형상의 레이저빔을 1차로 조사한다. 레이저빔에 노출된 실리콘 부분은 용융된 후 곧 고상화된다. 이 과정에서 레이저빔에 조사되지 않은 고상의 실리콘 영역과 레이저빔에 조사된 액상의 실리콘 영역의 양 계면으로부터 실리콘 그레인(grain)들이 측면성장한다.
그 다음, 한 번의 레이저빔의 조사에 의하여 형성되는 실리콘 그레인의 성장길이보다 작은 정도로 비정질 실리콘 박막을 이동시킨 후에 다시 1차 조사때 사용된 동일한 에너지를 가지는 레이저빔을 2차로 조사한다. 그 결과, 레이저빔에 노출된 실리콘 부분은 용융된 후, 1차 조사때와 마찬가지로 실리콘 그레인이 성장된다. 이 때, 레이저빔의 1차 조사에 의하여 형성된 실리콘 그레인은 계면에서 결정화의 씨드(seed)로 작용하여 계속적으로 측면성장한다. 그래서 실리콘 그레인은 레이저빔이 이동하는 방향으로 성장하는 결과를 가진다.
상술한 바와 같은 비정질 실리콘 박막을 이동시키고, 레이저빔을 조사하여 실리콘 박막을 용융시키고 고상화하는 실리콘 결정화 공정을 반복적으로 n회 실시하여 실리콘 그레인의 길이를 원하는 크기로 키운다. 실리콘 그레인은 최초 형성 위치에서 레이저 스캐닝 방향으로 측면성장한다.
따라서, SLS 기술을 사용한 레이저 결정화 기술은 실리콘 그레인의 크기를 획기적으로 성장시키는 결과를 가져온다.
SLS 기술을 사용한 레이저 결정화 기술이 기존의 레이저 결정화 기술과 다른 점 중의 하나는 레이저빔을 소정의 폭과 소정 형상을 가지도록 패터닝하는 것이다. 이를 위하여, 기존의 레이저 어닐링 장비와는 달리, SLS 기술을 사용하는 레이저 어닐링 장비에서는 레이저빔을 패터닝하기 위한 마스크(mask)를 사용하는 것이 특징이다.
도 1은 SLS 기술을 사용하기 위한 레이저 어닐링 장비의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
실리콘 박막을 결정화하기 위한 한 방법으로 SLS 기술을 사용하기 위해서는 레이저빔을 소정형상으로 패터닝하고, 패터닝된 레이저빔을 실리콘 박막에 연속적으로 조사한다.
이를 위하여, 레이저광원(10)에서 가공되지 않은 채로 방출된 초기레이저빔을 어테뉴에이터(attenuator)(11), 호모제나이저(homogenizer)(12), 필드렌즈(field lens)(3)를 통과시켜 에너지를 조절하고, 집속시킨다. 이 후에, 레이저빔을 마스크(mask)(14)에 통과시켜 소정형상으로 패터닝한다. 이와 같이, 패터닝된 레이저빔을 오브젝트렌즈(object lens)(15)에 통과시킨 후, 프로세서 체임버(process chamber)(20) 내부의 이동스테이지(translation stage)(16) 상에 위치한 실리콘 박막(17)에 조사한다. 액정표시장치에서는 실리콘 박막이 기판 상부에 형성되므로, 이하에서는 실리콘 기판으로 통칭한다. 미설명 도면부호 19-1, 19-2, 19-3은 레이저광의 경로를 조절하는 미러를 나타낸다.
도 2는 종래 기술에 따른 레이저 어닐링 시스템에서의 프로세서 체임버의 개략도를 나타낸 것이다.
프로세서 체임버는 그 내부공간을 이루는 체임버 윈도우(window)(20-2)와 체임버 월(wall)(20-1), 레이저 결정화 작업을 위하여 레이저빔이 조사될 실리콘 기판을 지지하기 위한 지지대(22), 지지대(22)를 지지함과 동시에 실리콘 기판(23)을 소정방향으로 이동시켜주는 수단이 되는 이동 스테이지(stage)(21)를 구비하고 있다.
이 때, 프로세서 체임버의 내부공간은 레이저 결정화 작업을 위하여 밀폐되고 진공상태로 유지된다. 체임버 윈도우(20-2)는 레이저 광학시스템에서 패터닝된 레이저빔을 프로세서 체임버의 내부공간으로 통과시키는 입구가 된다.
연속측면고상화 기술을 사용하는 레이저 결정화 과정에서 레이저빔은 소정의 반복률(repetition rate)로 실리콘 기판(23)을 조사하고, 그 상태에서 이동 스테이지(21)는 일 방향으로 이동하기 때문에, 결과적으로 레이저빔이 실리콘 기판(23) 전면을 스캐닝하게 된다.
연속측면결정화 기술은 실리콘 그레인을 끊기게 하지 않고 연속적으로 성장시켜야 하기 때문에, 정확한 위치이동과 균일한 기판의 평탄도등의 정밀한 시스템 조건을요구한다.
그런데, 종래 기술에 따른 레이저 어닐링 장비에서는 실리콘 기판이 단순하게 지지대(22)에 의하여 지지되어 있다. 그래서, 실리콘 기판(23)의 상태가 불안정하여 레이저빔의 조사작업을 제대로 실행할 수 없기 때문에 실리콘 그레인을 연속적으로 성장시킬 수 없는 문제가 발생한다.
우선, 박막의 표면에 굴곡이 있어서 실리콘 기판의 위치에 따라 평탄도가 달라질 경우, 실리콘 기판과 레이저광의 초점 사이의 거리는 실리콘 기판의 위치에 따라 불균일하게 된다. 실리콘 기판과 레이저광의 초점 사이의 거리의 불균일은 실리콘 기판에 공급되는 레이저 에너지의 불균일을 초래한다. 그 결과 연속적으로 균일한 조건을 마련하여 진행되어야 하는 레이저 결정화 작업이 불량하게 진행된다. 실리콘 기판과 레이저광의 초점 사이의 거리에 따라 실리콘 기판에 조사되는 레이저빔의 폭이 변하게 되는데, 그 영향은 레이저빔의 폭이 작을수록 크다.
또한, 이동스테이지에 의하여 실리콘 기판을 이동하는 경우에 실리콘 기판의 미세한 위치변동이 일어나게 된다. SLS 기술이 패터닝된 레이저빔의 폭과 이동간격이 수 ㎛정도인 조건에서 진행됨을 감안한다면, 이러한 실리콘 기판의 미세한 위치변동은 실리콘 그레인이 연속적으로 성장할 수 없게 만든다. 그래서, 실리콘 그레인을 연속적으로 성장시켜야 하는 대신에 결정화의 불연속대가 발생될 수 있다.
본 발명은 종래 기술에 따른 문제점을 해결한 레이저 어닐링 장비를 제공하고자 한다.
본 발명은 실리콘 기판을 홀딩(holding)하는 진공척을 이동스테이지에 설치하여 레이저빔이 조사되는 동안에는 실리콘 기판의 위치변경을 억제하여 레이저 결정화가 실리콘 기판 전체에 균일하게 진행되게 하는 레이저 어닐링 장비를 제공하고자 한다.
본 발명은 실리콘 기판의 표면 불균일을 박막을 진공흡착에 의하여 실리콘 기판을 지지하는 진공척을 사용하여 실리콘 기판의 표면 불균일을 어느 정도 해소하여 레이저 결정화가 실리콘 기판 전체에 균일하게 진행되는 레이저 어닐링 장비를 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 레이저광원과, 상기 레이저광원으로부터 나오는 레이저광의 에너지와 형상을 패터닝하는 광학시스템과, 상기 패터닝된 레이저광에 의하여 레이저 결정화를 진행하기 위한 실리콘 실리콘 기판을 진공흡착에 의하여 지지하는 진공척과, 상기 진공척을 지지하되, 상기 진공척을 소정의 방향으로 운반하기 위한 수단으로서의 이동스테이지를 포함하는 레이저 어닐링 장비를 제공한다.
도 1은 연속측면고상화 기술에 사용되는 레이저 어닐링 장비를 설명하기 위한 도면
도 2는 종래 기술에 따른 레이저 어닐링 장비에서의 프로세서 제임버의 개략도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 어닐링 장비에서의 프로세서 체임버의 개략도
도 4는 도 3에 보인 프로세서 체임버에서 실리콘 기판의 상하 움직임을 설명하기 위한 도면
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 레이저광원. 11: 어테뉴에이터.
12: 호모제나이저. 13: 필드렌즈.
14: 마스크 15: 오브젝트렌즈
20: 프로세서 체임버.
30-1: 체임버 월. 30-2: 체임버 윈도우.
31: 이동스테이지. 33: 진공척.
35: 이동실린더. 37: 실리콘 기판.
이하, 하기 실시예와 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 어닐링 장비의 일 구성인 프로세서 체임버의 개략도를 나타낸 것이다.
통상적인 프로세서 체임버의 구조에 보이듯이, 체임버 윈도우(window)(30-2)와 체임버 월(wall)(30-1)이 프로세서 체임버의 내부공간을 제공한다. 체임버윈도우(30-2)는 레이저 광학시스템에서 패터닝된 레이저빔을 내부공간으로 통과시키는 입구가 된다.
프로세서 체임버의 내부에는 실리콘 기판(37)을 진공 흡착으로 지지하는 진공척(vacuum chuck)이 이동 스테이지(31)의 상부에 설치되어 있다. 그리고, 진공척(33)에는 상하로 이동하면서 실리콘 기판(37)을 진공척(33)으로부터 분리 혹은, 결합시키는 수단으로서의 이동 실린더(cylinder)(35)가 설치되어 있다. 이동 스테이지(31)는 진공척(33)을 고정하는 동시에 실리콘 기판(37)을 좌우 혹은, 수평방향으로 이동시켜주는 수단이 된다.
레이저빔은 소정의 반복률로 실리콘 기판(37)을 조사하고, 그 상태에서 이동스테이지(31)는 일 방향으로 연속적으로 이동하기 때문에, 결과적으로 실리콘 기판(37) 전면을 레이저빔이 스캐닝하게 된다.
상술된 본 발명의 구조에서는 진공척(33)이 실리콘 기판(37)을 강하게 흡착하고 있기 때문에, 실리콘 기판(37)의 상태가 안정되어 이동 스테이지가 이동하는 과정에서도 실리콘 기판(37)의 위치변경이 미세한 정도로도 일어나지 않는다. 또한, 실리콘 기판(37) 전면이 진공척(37)에 흡착되기 때문에 실리콘 기판의 표면 굴곡에도 불구하고 진공 흡착이 진행되는 동안에는 어느 정도의 실리콘 기판 평탄도는 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 레이저 어닐링 시스템에서 이동실린더의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
실리콘 기판(37)의 로딩(loading) 작업시, 이동실린더(35)는 진공척(33) 상부로 돌출되어 있는 상태가 된다. 이 상태에서, 로봇암(robot arm)(39)을 사용하여 실리콘 기판(37)을 이동실린더(35)에 올려놓는다. 그 다음, 이동실린더(35)를 하강시켜 실리콘 기판(37)을 진공척(33) 상단에 위치시킨다. 이어서, 진공척(33)을 작동시켜 도 3에 보인 바와 같이, 실리콘 기판(33)을 진공 흡착한다.
이와 같이, 실리콘 기판이 진공척에 의하여 진공흡착되어 있는 상태에서 SLS 기술에 의한 실리콘 결정화를 진행한다.
실리콘 기판의 언로딩(unloading) 작업시, 진공척(33)의 진공을 새게 하여 실리콘 기판(37)을 진공척(33)으로부터 진공흡착을 해제시킨다. 이어서, 이동실린더(35)를 밀어올려 실리콘 기판(37)을 진공척(33)으로부터 분리시키는 동시에 진공척(33)과 실리콘 기판(37) 사이에 일정한 간격을 만든다. 그 다음, 로봇암(39)으로 실리콘 기판(37)을 이동실린더(35)로부터 가져간다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 어닐링 장비는 실리콘 기판을 진공흡착함으로써 실리콘 기판의 상태를 안정 및 균일하게 하여 SLS 기술을 안전하게 진행한다.
본 발명에서는 레이저빔이 기판을 스캐닝하는 동안에, 실리콘 기판 전면을 진공척이 진공 흡착함으로써 실리콘 기판 표면의 평탄도를 어느 정도 유지시키고 실리콘 기판을 강하게 지지한다. 그래서 실리콘 기판과 레이저빔의 초점 사이의 거리를 일정하게 유지함으로써, 실리콘 기판 전면이 균일한 레이저 노출조건을 가지도록 만든다. 따라서, 실리콘 기판 전면에 SLS 기술을 균일하게 진행할 수 있어서 결정화정도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 제시된 실시예 뿐만이 아니라, 첨부된 특허청구범위 및 언급한 상술부분을 통하여 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 동업자에 의하여 다양한 방식으로 적용될 수 있다.

Claims (2)

  1. 레이저광원과,
    상기 레이저광원으로부터 나오는 레이저광의 에너지와 형상을 패터닝하는 광학시스템과,
    상기 패터닝된 레이저광에 의하여 레이저 결정화를 진행하기 위한 실리콘 기판을 진공흡착에 의하여 지지하는 진공척과,
    상기 진공척을 지지하되, 상기 진공척을 소정의 방향으로 운반하기 위한 수단으로서의 이동스테이지를 포함하는 레이저 어닐링 장비.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 진공척에 설치되어 상하로 이동하면서 실리콘 기판을 상기 진공척으로부터 분리 혹은, 결합시키는 수단으로서의 이동실린더를 더 포함하는 레이저 어닐링 장비.
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