KR100569118B1 - 비정질 실리콘 결정화 장치 및 대면적 비정질 실리콘의결정화 방법 - Google Patents

비정질 실리콘 결정화 장치 및 대면적 비정질 실리콘의결정화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유리 기판 등의 절연막 위에 있는 비정질 실리콘 박막을 다결정 실리콘 박막으로 결정화하는데 있어서, 집속된 고에너지의 자외선을 열원으로 사용하여 다결정 실리콘 박막을 형성하는 방법에 관한 것으로, 비정질 실리콘을 결정화할 때 집속된 자외선(Ultra violet ray)을 국소 영역에 조사하여, 기판의 손상 없이 비정질 실리콘을 순간적으로 녹였다가 냉각 시킴으로써 결정화하는 방법과 집속된 자외선으로 비정질 실리콘을 가열하여 금속 유도 결정화를 포함하는 고상 결정화가 일어나는 온도에서 단시간의 열처리를 함으로써 다결정 실리콘을 형성하는 방법과 상기 각 비정질 실리콘의 결정화 방법을 대면적 기판에 적용하기 위하여 기판을 이동시킴으로써 기판 위의 비정질 실리콘 박막을 순차적으로 결정화 시키는 것이 본 발명의 주된 적용이다.
또한 본 발명은 비정질 실리콘 결정화 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 비정질 실리콘 결정화 장치는, 실리콘 결정화의 열원으로 사용되는 자외선을 발생시키는 자외선 발생부; 상기 자외선 발생부에서 발생된 자외선을 반사하도록 상기 자외선 발생부의 외부를 감싸도록 구비되되, 반사된 자외선을 특정 방향으로 집속시키는 반사 집속부재; 상기 자외선 발생부 및 반사 집속부재의 하부에 구비되며, 그 상부면에 실리콘 박막이 형성된 기판을 위치시켜 이송시키는 기판이송부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
자외선, 다결정 실리콘 박막, 대면적 결정화, 금속 다이실리사이드, 급속열처리, 연속성장

Description

비정질 실리콘 결정화 장치 및 대면적 비정질 실리콘의 결정화 방법{Apparatus of crystalization of large-area amorphos silicon film and method thereof}
도 1은 본 발명의 실시 예로 집속된 자외선 조사를 이용한 열처리 방법을 사용하여 비정질 실리콘을 결정화 하는 공정을 나타내는 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 실시 예로 유리 기판 위에 형성된 비정질 실리콘의 두께에 따라 변화하는 흡수 분광 그래프.
도 3은 본 발명의 실시 예로 집속된 자외선 조사를 이용한 결정화 방법 사용시 박막의 온도 변화를 나타낸 모식도.
도 4는 본 발명의 실시예로 집속된 자외선을 만들기 위한 반사경의 사시도와 자외선 조사에 의해 결정화 되는 박막을 나타내는 모식도.
도 5는 본 발명의 실시 예로 집속된 자외선 조사에 의해 국부적으로 결정화된 다결정 실리콘 박막과 비정질 실리콘 경계면의 광학현미경 사진.
도 6은 본 발명의 실시 예로 집속된 자외선 조사와 시료의 이동에 의해 결정화된 다결정 실리콘 박막의 광학 현미경 사진.
도 7은 본 발명의 실시 예로 집속된 자외선 조사에 의해 용융되었다가 결정화된 다결정 실리콘 박막의 광학 현미경 사진.
도 8은 본 발명의 실시 예로 집속된 자외선 조사에 의해 금속유도 결정화된 다결정 실리콘의 주사 전자현미경 사진.
도 9는 본 발명의 실시 예로 집속된 자외선 조사에 의해 결정화된 다결정 실리콘 박막의 라만 산란 특성을 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명의 실시 예로 집속된 자외선 조사에 의해 결정화된 다결정 실리콘 박막의 전기전도도 특성을 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명의 비정질 실리콘 결정화 장치의 구조를 나타낸 사시도.
도 12는 본 발명의 기판이송부의 다른 실시예의 구조를 나타낸 사시도.
도 13는 본 발명의 비정질 실리콘 결정화 장치의 구동모습을 나태난 단면도.
도 14은 본 발명의 비정질 실리콘 결정화 장치에 구비된 냉각부 중 공냉식 냉각부의 구조 및 구동 방법을 나타낸 단면도.
도 15는 본 발명의 비정질 실리콘 결정화 장치에 구비된 냉각부 중 수냉식 냉각부의 구조 및 구동 방법을 나타낸 단면도.
도 16는 본 발명의 비정질 실리콘 결정화 장치에 마스크가 구비된 모습을 나타낸 단면도.
도 17은 본 발명의 비정질 실리콘 결정화 장치의 다른 실시예의 구조를 나타낸 단면도.
도 18은 본 발명의 비정질 실리콘 결정화 장치의 또 다른 실시예의 구조를 나타낸 단면도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 다결정 실리콘 영역 20 : 비정질 실리콘 영역
30 : 다결정실리콘 그레인 영역 40 : 그레인 경계영역
50 : 막대모양의 결정립 100 : 자외선 발생부
200 : 반사 집속부재 300 : 기판이송부
310 : 기판 311 : 비정질 실리콘 박막
312 : 다결정 실리콘 박막 400 : 냉각부
410 : 송풍부재 420 : 공기 유입구
430 : 공기 유출구 440 : 지지대
500 : 마스크 510 : 집속광 통과홈
본 발명은 비정질 실리콘의 결정화 방법 및 비정질 실리콘의 결정화 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 집속된 근자외선을 이용하여 비정질 실리콘을 결정화하는 방법 및 집속된 근자외선을 이용하여 비정질 실리콘을 결정화하는 결정화 장치에 관한 것이다.
다결정 실리콘을 이용한 트랜지스터 소자는 대부분 능동행렬 액정디스플레이(AMLCD: Active Matrix Liquid Crystal Display)의 능동소자와 전기발광(electro-luminescence)소자의 스위칭 소자 및 주변회로에 사용된다.
이때, 다결정 실리콘은 반도체 활성층으로 사용되는데, 상기 다결정 실리콘 의 제작방법에는 직접 증착법 [Jang et al., Vacuum Vol.51, 769(1998)], 고상결정화 방법 [Girginoudi et al., J. Appl. Phys. Vol. 84, 1968(1998)], 또는 레이저 열처리 방법[J. S. Im and H. J. Kim, Appl. Phys. Lett. Vol. 64, 2303(1994)]이 있다.
고상결정화 방법은 기판 위에 형성된 비정질 실리콘을 열처리함으로써 상전이를 유도하여 다결정 실리콘을 얻는 방법이다. 다만, 열처리 온도가 600℃ 내외의 저온이기 때문에 비정질 실리콘 박막은 용융되지 않고 초기의 고체 상태를 유지하며 다결정된 상태로 상전이를 하게 된다. 일반적으로 이러한 고상 결정화법에 의한 다결정 실리콘 박막은 내부에 다량의 결정 결함을 갖고 있어서 전기적 특성저하의 원인을 제공하는 것으로 알려져 있어서 문제가 있다. 이러한 결함은 고온 급속 열처리 등의 후속 공정을 통해 없앨 수 있다. 즉, 고상결정화에 의한 다결정 실리콘 박막이 전기적으로 우수한 성능을 나타내기 위해서는 고온에서 결정화되거나, 고온에서의 후속 열처리 공정이 필수적이라 할 수 있다.
그러나 비정질 실리콘이 용융될 정도의 고온 열처리는 공정상 많은 문제를 유발시키는데 특히, 유리기판의 사용이 불가능하여 대면적 공정의 수행이 어려운 문제점이 있다.
한편, 레이저 열처리 방법은 국소부위에 고출력의 에너지를 전달하여 비정질 실리콘을 순간적으로 용융시키고 다시 냉각시켜서 결정화하는 방법이다. 따라서 유리 기판의 사용이 가능하고, 현재 다결정 실리콘을 얻는 가장 보편적인 방법으로 사용되고 있다.
그렇지만 레이저 장비의 근본적인 특성에 기인하는 박막 특성의 불균일성과 유지비가 고가라는 문제점이 있다. 따라서 현재 레이저 열처리를 대체하고자 하는 기술의 개발이 요구되어 다각적으로 연구되고 있다.
특히, 전통적인 다결정 실리콘을 만들기 위한 비정질 실리콘의 가열방법인 적외선 영역의 열원의 사용 방법을 대신하여 보다 효과적인 비정질 실리콘 박막의 가열방법으로 자외선을 이용한 열처리 방법에 대한 기술 개발의 필요성이 강력하게 요구되고 있으며, 그에 대한 연구가 활발해지고 있다.[R. Singh et al., Appl. Surf. Sci. Vol. 168, 198(2000)]
본 발명의 목적은 레이저, 텅스텐 할로겐 램프 어레이 등 고가의 장비와 유지비가 필요한 종래의 열처리 방법을 대체할 수 있는 비정질 실리콘 박막의 결정화방법 및 비정질 실리콘 결정화 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 대형기판에도 적용이 가능한 비정질 실리콘의 결정화방법 및 비정질 실리콘 결정화 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 양질의 다결정 실리콘 박막을 단 시간 내에 얻을 수 있는 방법 및 비정질 실리콘 결정화 장치를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 비정질 실리콘을 결정화하는 방법은 유리, 석영 등의 절연기판 또는 절연막이 형성된 실리콘 웨이퍼 위에 비정질 실리콘을 형성하는 비정질 실리콘 박막 형성 단계; 집속장치를 이용하여 근자외 선 영역의 빛을 집속시켜서 열원이 형성되는 열원형성 단계; 상기 비정질 실리콘을 상기 열원에 노출시킴으로써 상기 비정질 실리콘의 일부분을 결정화시키는 부분 결정화 단계; 및 기판 이송장치 또는 램프하우스 이송장치를 이용하여 상기 부분 결정화 단계를 반복 수행함으로써 상기 비정질 실리콘을 순차적으로 결정화 시키는 순차적 결정화 단계로 구성된다.
또한 본 발명에 따른 비정질 실리콘 결정화 장치는, 실리콘 결정화의 열원으로 사용되는 자외선을 발생시키는 자외선 발생부; 상기 자외선 발생부에서 발생된 자외선을 반사하도록 상기 자외선 발생부의 외부를 감싸도록 구비되되, 반사된 자외선을 특정 방향으로 집속시키는 반사 집속부재; 상기 자외선 발생부 및 반사 집속부재의 하부에 구비되며, 그 상부면에 실리콘 박막이 형성된 기판을 위치시켜 이송시키는 기판이송부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 상기 비정질 실리콘의 결정화 방법을 각 단계별로 상세하게 설명한후, 상기 비정질 실리콘 결정화 장치의 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1은 본 발명의 각 실시 단계를 보여주는 공정순서도이다.
(1) 비정질 실리콘 박막 형성 단계
본 단계는 유리, 석영 등의 절연기판 또는 절연막이 형성된 실리콘 웨이퍼 상에 비정질 실리콘 층을 얇게 형성시키는 비정질 실리콘 박막 형성 단계이다. 상기 비정질 실리콘 박막은 현재 일반적으로 사용되고 있는 플라즈마화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)법, 저압화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD)법 등에 의해 형성시킬수 있다. 또한, 상기 비정질 실리콘 층에서의 효과적인 가열을 위해 상기 박막은 박막상에 패턴(pattern)을 형성시켜서 준비될 수 있다.
(2) 열원형성 단계
본 단계는 집속 장치를 이용하여 근자외선 등의 빛을 집속하여 비정질 실리콘의 가열에 사용할 열원을 형성시키는 단계이다.
비정질 실리콘을 가열하는 효율면에서 볼 때, 본 단계에서 사용하는 빛으로는 근자외선 영역의 빛이 바람직하다. 이와 더불어 UV 램프 외에 집속된 전자빔이나 이온빔 또는 가시광을 포함하는 적외선(IR) 빔도 유사한 효과를 가지고 있으므로 사용이 가능하다.
근자외선 영역의 빛이라 함은 파장이 300 nm 내지 380 nm 사이인 빛을 말한다. 상기 근자외선은 파장 365 nm 내외에서 첨두값(peak value)을 갖고, 일반적인 자외선 램프로부터 얻어진다.
근자외선(200 nm 이상)에서 근 적외선(1 ㎛ 이하) 사이의 분광도를 갖는 램프를 이용하여 얻어지는 빛은 유리나 석영기판에는 거의 흡수가 일어나지 않고, 상기 비정질 실리콘 박막에서는 흡수가 일어나기 때문에 결정화를 위한 열원으로 사 용될 수 있다. 도 2에서 확인할 수 있듯이, 효율면에서 볼때 상기 효과는 자외선 영역으로 갈수록 커지게 된다.
따라서 자외선 영역으로 넘어가기 전 영역인 근자외선 영역에서는, 유리기판에서도 상당한 흡수가 일어나는 자외선 영역과 달리, 상기 비정질 실리콘 박막에서는 강한 흡수가 일어나지만 유리기판에서는 거의 흡수가 일어나지 않는 빛을 얻을 수 있는 것이다.
따라서 상기 근자외선 영역의 빛을 이용하면 그 만큼 효과적으로 비정질 실리콘 박막을 가열 시킬 수 있는 것이다.
도 2는 유리 기판 위에 형성된 비정질 실리콘 박막의 파장에 따른 흡수도를 나타낸 것이다. 상기 도 2에 의하면 근자외선 영역의 빛에 대한 흡수는 비정질 실리콘 박막의 두께(50 nm, 200 nm, 300 nm)에 따라 크게 영향을 받지 않으나 가시광 영역의 빛에 대해서는 박막의 두께가 두꺼워 질수록 흡수가 커지는 것을 확인 할 수 있다.
이와 같은 결과는 본 발명에 의한 비정질 실리콘 결정화 방법에 의하여 비정질 실리콘을 결정화 할 때, 다른 빛을 열원으로 이용하는 공정에 비해 비정질 실리콘 박막의 두께에 따른 영향을 적게 받는 것을 의미한다. 따라서 본 발명에 의한 비정질 실리콘 결정화방법은 다른 공정보다 손쉽게 공정을 수행할 수 있으며 종국에는 다결정 실리콘의 생산성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 의한 비정질 실리콘의 결정화 방법은 유리기판에 손상을 주지 않기 때문에 대면적 가공이 가능하다. 본 발명에 의한 비정질 실리콘의 결정화 방법 이 유리기판의 손상온도인 섭씨 600도 이상의 고온으로 열처리를 하면서도 유리기판에 손상을 끼치지 않는 이유는 국소적인 부분에 단시간의 고온 열처리를 행하기 때문이다.
또한, 근자외선은 비정질 실리콘 내의 결합에 직접 영향을 미쳐서 다결정 실리콘으로의 상전이를 유도하는 활성화 에너지를 낮추는 역할을 한다. 따라서 근자외선은 박막의 가열에 의한 결정화를 유도할 뿐만아니라, 비정질 실리콘의 상전이에 있어서의 활성화에너지를 낮추어서 상전이 자체를 용이하게 하는 역할을 수한다.
근자외선의 상기 효과들은 비정질 실리콘의 용융 및 냉각에 의한 결정화 뿐만아니라 비정질 실리콘 박막의 고상 결정화와 금속유도 결정화에 적용될 수 있으며, 적외선 영역의 빛을 사용하는 일반적인 텅스텐 할로겐 램프에 의한 열처리 보다 효과적이다.
또한 본 단계에서는 빛의 집속을 위하여 집속 장치를 사용하는 데 상기 집속장치의 모식도는 도 3, 4에 의하여 확인할 수 있다. 상기 집속 장치는 단면의 모양이 타원형인 반사경을 이용하여 램프에서 발생하는 빛과 열을 집속하는 장치를 말한다.
이때 상기 집속장치의 타원형 반사경의 곡률을 조절함으로써 라인 빔의 선폭을 조절할 수 있는데, 이러한 방법에 의해 선폭을 조절할 경우 최소 선폭은 자외선 램프의 직경에 의존하게 된다. 한편, 램프의 직경은 요구되는 빛의 세기 (power)에 의해 그 크기가 결정되는데, 세기가 클수록 직경도 증가하게 된다. 본 발명에서 제 안하는 대면적 기판의 열처리를 위해서 사용하고자 하는 자외선 램프의 직경은 최소 20 mm 이상의 크기가 필요하기 때문에, 반사경에 의해 집속되는 라인 빔의 선폭은 최소 15 mm 내외가 된다.
그러나, 필요에 따라서 (예를 들어, 결정화에 걸리는 시간 등의 결정화 효율과 결정화된 다결정실리콘 박막의 특성조절 등) 선폭은 1㎛ 까지 조절될 수 있는데, 이 때는 미리 제작된 마스크 (mask) 등을 이용한다.
따라서 본 발명에서 사용하는 빛은 라인 빔의 형태를 취하게 된다.
(3) 부분 결정화 단계
본 단계는 상기 열원 형성단계에서 형성된 열원을 이용하여 상기 비정질 실리콘을 결정화하는 단계이다.
본 단계에서 사용되는 열원은 상기 집속장치에 의하여 집속된 라인빔인데, 라인빔이라 함은 반사경 등에 의해 집속된 빛이 가장 높은 광도를 나타내는 영역을 말한다. 이때, 비정질 실리콘의 박막에 조사되는 라인빔의 폭은 1㎛ 내지 30 mm 내외로 조절된다.
빔의 폭이 1mm 이하일 경우에는 비정질 실리콘 박막의 고온 가열을 유도하여 용융 후 재결정화 방법에 적용할 수 있다. 비정질 실리콘 박막에 1300℃ 정도의 고온이 가해질 경우 박막은 액상으로 변하게 되는데 이때 용융된 실리콘 박막이 냉각되며 고상화되는 과정에 결정화가 일어나게 된다. 상기 방법은 국부영역용융재결정화(zone melting recrystallization, ZMR)라 불리는 전통적인 방법과 유사하다.
한편 빔의 폭이 1mm 이상일 경우에는 비정질 실리콘을 용융시키지 않고도 고상에서의 측면 에피성장(epitaxial growth)에 적용시킬 수 있다. 즉, 빔 조사 전에 비정질 실리콘의 일부분을 다결정 실리콘화 한 후 순차적으로 집속된 빔을 조사할 경우 그 다결정 실리콘으로부터 인접한 비정질 실리콘 박막으로의 결정화가 일어나는 에피성장을 유도할 수 있는 것이다. 상기 방법은 박막이 용융상태를 거치지 않는다는 점에서 전기한 용융후 재결정화법과 구분된다.
(4) 순차적 결정화 단계
본 단계는 기판이송부 또는 램프하우스 이송장치를 이용하여 상기 부분 결정화 단계를 연속하여 순차적으로 수행하는 단계이다. 즉, 상기 부분 결정화 단계를 상기 절연기판에 형성된 비정질 실리콘 박막의 모든 부분에 대하여 순차적으로 수행함으로써 대면적의 비정질 실리콘 박막을 결정화하는 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 이용하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
<실시예 1>
먼저 900 W 급의 자외선 램프에서 방출되는 빛과 열을 타원형 반사경에 의하여 집속시켜서 라인빔의 형태로 만든다. 이때 집속되는 빔의 폭은 1㎛ 내지 30mm 내외로 조절하는 것이 바람직한데 본 실시예에서는 25 mm로 조절한다.
상기 빔을 절연기판상에 형성된 비정질 실리콘에 조사하고, 빔이 조사된 부분의 온도변화를 측정하면 대기중에서 섭씨 950 도로 측정된다. 본 실시예에서 집 속되는 빛의 폭을 25mm 내외로 조절하였을 때 섭씨 950 도로 측정된 바, 상기 빔의 폭을 1mm 정도로 조절하는 경우에 그 온도가 섭씨 950 도 이상일 것은 자명하다. 이는 본 발명에 의한 결정화 방법이 고온 열처리에 의한 양질의 다결정 실리콘 박막의 형성에 적용할 수 있음을 의미한다.
도 5는 상기 실시예에 의한 방법을 사용하여 국부적인 결정화를 유도한 시료의 광학사진이다. 즉, 섭씨 800 도의 온도에서 5초 동안 노출하여 유리기판(310) 위에 있는 50 nm 두께의 비정질 실리콘(311)을 결정화 한 것이다. 이때 시료기판의 이동 없이 결정화를 유도한 것으로써 상기 빔이 조사된 범위인 15 mm 내외의 비정질 실리콘 박막만이 고상결정화에 의해 다결정 실리콘(10)으로 변하였으며, 그 외 영역은 비정질 실리콘(20)인 상태로 남아있는 것을 확인할 수 있다.
또한 짧은 시간의 열처리에 의해 상기 비정질 실리콘이 결정화 되기 때문에 두께 0.7 mm인 유리 기판이 아무런 손상도 받지 않음을 알 수 있다.
<실시예 2>
본 발명을 이용해 보다 대면적의 시료를 결정화하기 위해서는 램프하우스를 이동시키거나 또는 시료기판을 이동시키는 방법을 사용한다.
본 실시예에서는 속도조절이 가능한 이송장치 위에 시료를 위치 시키고, 램프하우스의 아래로 시료를 통과시켜 비정질 실리콘 박막의 결정화를 수행한다. 이 때, 사용된 시료의 크기는 폭 2 cm, 길이 10 cm 로 하며, 상기 시료를 길이 방향으로 1.5 mm/s의 속도로 이동시키면서 상기 <실시예 1>에서 이용한 상기 빔을 주사한 다.
비정질 실리콘 기판이 이송장치에 의해 램프의 빛과 열이 집속되어 라인 빔 형태로 조사되는 부분에 도달하게 되면, 라인 빔에 노출된 비정질 실리콘 부분이 먼저 결정화 되며 기판이 이동함에 따라 순차적으로 비정질 실리콘 박막의 결정화가 진행된다. 상기 방법이 반복적으로 진행되어 라인 빔이 주사된 비정질 실리콘 박막 전체가 결정화되는 것이다.
도 6은 본 발명의 <실시예 2>로 제작된 유리기판(310) 위의 다결정 실리콘 박막 시료의 광학사진이다. 도 6에서는 중앙의 다결정 실리콘 영역(10)과 함께, 라인 빔에 노출되지 않은 외곽의 비정질 실리콘 영역(20)을 확인 할 수 있다.
상기 실시예 1과 실시예 2에서 확인할 수 있듯이 본 발명에 의한 결정화 방법은 기판의 크기에 상관없이 적용될 수 있음을 알 수 있다.
<실시예 3>
본 실시예에서는 빛과 열을 집속하여 비정질 실리콘 박막을 조사함에 있어서 형성되는 라인 빔의 폭을 상기 실시예 1이나 실시예 2 보다 줄여서 1mm 정도로 조정하거나, 램프의 출력을 높여서 비정질 실리콘 박막을 용융 시킬 수 있을 만큼의 온도까지 상승시킨다.
이 때, 결정화를 하고자 하는 비정질 실리콘 박막을 수백 ㎛ 크기의 작은 섬(island)으로 패터닝(patterning)할 경우 결정화 공정 수행시 박막에 야기되는 스트레스를 감소시킬 수 있다. 따라서 기판으로부터 박막이 박리되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 7은 본 발명의 실시예인 상기 실시예 3의 비정질 실리콘 박막이 용융되었다가 결정화된 시료의 광학 현미경 사진이다. 도 7에서는 비정질 영역이 남아있지 않고 완전히 다결정 실리콘(312)으로 변한 것과 1 ㎛ 이상 되는 결정립(30)들로 이루어진 결정경계면(40)을 확연히 확인할 수 있다.
<실시예 4>
본 실시 예에서는 도 5, 도 6, 도 7에 언급된 고상결정화와 용융 후 결정화 방법과 달리 니켈, 코발트 등을 결정화에 이용하는 금속 유도 결정화 방법을 개시한다. 즉, 상기의 비정질 실리콘 내에 또는 표면에 금속을 포함시켜서 상기 비정질 실리콘 박막을 형성시킨 후 결정화 과정을 수행하는 것이다. 이때 사용되는 금속은 니켈 또는 코발트가 바람직한데 본 실시 예에서는 니켈을 사용한다.
또한 상기 금속을 상기 비정질 실리콘 표면의 일부에 증착시킨 후에 결정화하는 방법도 가능하다.
도 8은 상기 실시예 4에 의하여 결정화된 시료의 광학사진이다. 도 8에서는 니켈을 사용하여 상기 박막 전체가 다결정 실리콘(312)으로 변한 것과, 그 내부에는 니켈을 이용한 금속유도 결정화에서 나타나는 특징적인 막대모양의 결정립(50)이 관측되는 것을 알 수 있다.
이는 본 발명에 의한 결정화 방법에 의해 형성된 다결정 실리콘의 미세구조는 기존의 열처리 방법에 의한 것과 큰 차이가 없음을 의미한다.
도 9는 본 발명에 의해 고상결정화 된 다결정 실리콘 박막의 라만 산란 특성을 나타낸 그래프이다. 도 9에서 알 수 있듯이 평균적인 결정화도는 95% 이상이며, 피크의 위치는 518 cm-1 내외의 값을 나타냄을 알 수 있다.
또한 도 10은 본 발명의 실시예인 집속된 자외선 조사에 의해 결정화된 다결정 실리콘 박막의 전기전도도 특성을 나타낸 그래프이다. 상기 도 10에서는 본 발명에 의해 결정화된 다결정 실리콘 박막의 전기전도도가 상온에서 10-5~10-6 S/cm 의 값을 나타냄을 알 수 있다. 또한 그 활성화 에너지는 0.5 eV 내외의 값을 가지므로 본 발명에 의해 생산되는 다결정 실리콘은 전기전자소재의 반도체 활성층으로 사용하기에 손색이 없음을 알 수 있다.
다음으로는 본 발명에 따른 비정질 실리콘 결정화 장치의 구조 및 기능을 상세하게 설명한다.
먼저 본 발명에 따른 비정질 실리콘 결정화 장치는 자외선 발생부(100), 반사 집속부재(200), 기판이송부(300)를 포함하여 구성된다.
상기 자외선 발생부(100)는 실리콘 결정화의 열원으로 사용되는 자외선을 발생시키는 역할을 한다. 이때 상기 자외선은 근자외선인 것이 바람직하다. 그리고 상기 자외선 발생부(100)는 도 11에 도시된 바와 같이, 소정 길이의 원기둥 형상을 가지는 자외선 램프로 구성된다. 즉 일반적인 형광등의 형상과 유사한 형상을 취하는 것이다. 따라서 상기 자외선 발생부(100)는 원주면의 모든 방향으로 자외선을 발산할 수 있다.
다음으로 상기 반사 집속부재(200)는 상기 자외선 발생부(100)에서 발생된 자외선을 반사하도록 상기 자외선 발생부(100)의 외부를 감싸도록 구비되되, 반사된 자외선을 특정 방향으로 집속시키는 역할을 한다. 즉, 상기 반사 집속부재(200)는 그 단면의 형상이 도 12에 도시된 바와 같이, 타원의 일부를 이루는 형상으로 이루어지며, 상기 자외선 발생부(100)가 상기 반사 집속부재(100)의 단면이 이루는 타원의 한 초점에 위치된다. 따라서, 상기 자외선 발생부(100)에서 방출된 자외선은 상기 반사 집속부재(200)에 의하여 반사되어 상기 반사 집속부재(100)의 단면이 이루는 타원의 다른 초점에 집속되는 것이다.
그리고 상기 반사 집속부재(200)는 일반적인 자외선 경화기 등에서 사용하는 냉반사경(Cold mirror)이 아닌 열반사경(Hot mirror)로 구비되는 것이 바람직하다. 상기 반사 집속부재(200)가 열반사경으로 구비되면, 상기 자외선 발생부(100)에서 발산되는 모든 파장의 빛과 열을 효율적으로 반사할 수 있으므로 비정질 실리콘의 결정화를 위한 열원으로 사용하기에 적합한 집속광이 생성되는 것이다. 따라서 본 발명에 따른 비정질 실리콘 결정화 장치는 단순히 빛만을 열원으로 이용하는 것이 아니라, 자외선 램프에서 발생되는 복사열과 빛을 모두 열원으로 이용하는 효율적인 장치가 되는 것이다.
다음으로 상기 기판이송부(300)는 상기 자외선 발생부(100) 및 반사 집속부 재(200)의 하부에 구비되며, 그 상부면에 실리콘 박막이 형성된 기판(310)을 위치시켜 이송시키는 역할을 한다. 즉, 상기 기판이송부(300)는 상기 자외선 발생부(100)의 하부에 상기 자외선 발생부(100) 및 반사 집속부재(200)와 평행하게 형성되고, 그 상부면에 기판(310)을 위치시키고, 상기 기판(310)을 일정한 방향으로 소정 속도로 이동시킬수 있도록 구비되는 것이다.
이는 상기 자외선 발생부(100) 및 반사 집속부재(200)에 의하여 발생된 집속광이 기판(310)에 형성된 모든 영역을 한번에 비출 수 없으므로, 상기 기판을 옮겨 가면서 기판(310)에 형성된 모든 비정질 실리콘에 집속광을 조사하기 위한 것이다.
본 발명의 비정질 실리콘 결정화 장치에서는 상기 기판이송부(300)가 300 ~ 400℃ 정도의 온도에 노출되기 때문에 이러한 온도를 견딜 수 있는 재료로 상기 기판이송부(300)가 구비되어야 한다. 따라서 상기 기판이송부(300)는 도 11 또는 도 16에 도시된 바와 같이, 기판(310)을 소정 방향으로 이송시킬 수 있도록 콘베이어 벨트로 구비되는 경우에는 콘베이어 벨트가 내열소재로 구비되는 것이 바람직하다.
또한 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 기판이송부(300)를 내열소재로 이루어진 로울러 구조로 형성되는 것이 바람직하다.
물론 상기 기판(310)은 정지된 상태로 유지하고, 상기 자외선 발생부(100) 및 반사 집속부재(200)를 일정 속도로 이동시키면서 기판(310) 상의 비정질 실리콘을 결정화 할 수도 있다.
그리고 상기 기판이송부(300)는 그 상부면에 상기 반사 집속부재(200)의 단면이 이루는 타원의 초점 중 상기 자외선 발생부(100)가 위치된 초점과 다른 초점 이 위치되도록 구비된다. 따라서, 상기 반사 집속부재(200)에 의하여 집속된 집속광이 상기 기판이송부(300) 상에 위치된 기판의 비정질 실리콘에 정확하게 모아지는 것이다.
다음으로 상기 반사 집속부재(200)의 외측에는 냉각부(400)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 상기 자외선 발생부(100)는 사용 중에 고온 상태에 있으며, 이로 인해 상기 반사 집속부재(200)는 900℃ 이상의 고온에 노출되기 때문에 고온에 의한 손상을 받지 않고, 안정적으로 사용하기 위해서는 상기 자외선 발생부(100)와 상기 반사 집속부재(200)에 대한 냉각이 필요하다. 따라서 본 발명에 따른 비정질 실리콘 결정화 장치에는 냉각부(400)가 필수적으로 요구된다.
이때 상기 냉각부(400)는 도 14에 도시된 바와 같이, 송풍팬(410)을 상기 반사 집속부재(200)에 인접하게 설치시키고, 상기 송풍팬(410)을 이용하여 공기를 순환시켜 상기 반사 집속부재(200) 및 자외선 발생부(100)를 냉각시키는 공냉식으로 구비될 수 있다. 즉, 상기 냉각부(400)의 소정 부분에 차가운 외부의 공기가 유입될 수 있는 공기 유입구(410)를 형성시키고, 다른 부분에 공기 유출구(430)를 형성시킨후, 상기 공기 유출구(430)에 공기를 강제로 뽑아 낼 수 있는 송풍팬(410)을 구비시켜 공기를 강제로 순환시킴으로써 상기 반사 집속부재(200)를 냉각시키는 것이다.
또한 상기 냉각부(400)는 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 반사 집속부재(200)의 외부면에 반사 집속부재(200)와 접촉되게 상기 반사 집속부재(200)를 지지하는 지지대(440)를 구비시키고, 상기 지지대(440) 내부에 냉 각수를 순환시켜 상기 반사 집속부재(200) 및 자외선 발생부(100)를 냉각시키는 수냉식으로 구비될 수도 있다.
또한 상기 냉각부(400)는 상술한 공냉식 냉각방식과 수냉식 냉각방식을 복합한 복합식으로 구비될 수도 있다.
다음으로 상기 비정질 실리콘 결정화 장치에는 도 11 또는 도 16에 도시된 바와 같이, 상기 기판이송부(300) 상부에 상기 기판이송부(300)와 평행하게 위치되며, 상기 반사 집속부재(200)에 의하여 집속된 자외선이 통과할 수 있도록 소정 폭의 집속광 통과홈(510)이 형성된 마스크(500)가 더 구비된다. 상기 마스크(500)는 기판의 특정 부분에 보다 급속한 온도 상승을 유도하기 위해 사용된다.
일반적으로 마스크(500)가 구비되지 않는 경우에는 기판은 도 3과 도 12에 도시된 대로 상기 반사 집속부재(200)에 의해 반사되어 집속되는 부분, 즉 상기 반사 집속부재(200)의 단면이 만드는 타원의 한 초점에서 가장 높은 온도로 가열되며 이를 중심으로 그 초점에서 멀어질수록 점차 온도가 낮아지게 된다. 이러한 현상은 상기 기판이송부(300)에 의해 기판이 이송되어 가열될 때, 상기 반사 집속부재(200)에 의해 집속된 열원의 중심부분을 통과하기 전, 후에 기판이 예열되는 효과가 있다.
그러나 특별한 경우에는 특정한 지점에 급속한 온도상승과 온도하강이 요구되는데, 이러한 경우에는 상기 마스크(500)를 설치하고 상기 반사 집속부재(200)에 의하여 반사, 집속된 집속광만 상기 집속광 통과홈(510)을 통해 기판(310)에 조사되게 하여 보다 효율적으로 급속한 온도 상승과 하강의 효과를 얻을 수 있는 것이 다.
이때 상기 집속광 통과홈(510)의 폭은 1㎛ 내지 30mm 로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서 상기 집속광 통과홈(510)의 폭을 조정함으로써 기판에 조사되는 빛의 폭을 결정할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 비정질 실리콘 결정화 장치의 다른 실시예로는, 도 17에 도시된 바와 같이, 상기 자외선 발생부(100a, b)를 2 개 구비하는 것이 가능하다.
이때 상기 자외선 발생부(100a, b)는 서로 평행하게 구비되며, 상기 자외선 발생부(100a, b) 외부에 각각 그 단면의 형상이 타원의 일부인 반사 집속부재(200a, b)가 구비된다. 그리고 상기 각 자외선 발생부(100a, b)는 상기 반사 집속부재(200a, b)의 단면이 이루는 타원의 한 초점에 각각 위치되며, 상기 반사 집속부재(200a, b) 단면이 이루는 타원의 나머지 초점이 상기 기판이송부(300) 상부면의 한 지점에 위치하도록 상기 반사 집속부재(200a, b)를 서로 마주보도록 기울어지게 구비시킨다.
즉, 상기 각 반사 집속부재(200a, b)의 단면이 이루는 두 타원의 초점 중 각각 하나의 초점에는 상기 자외선 발생부(100a, b)가 각각 위치되고, 두 타원의 나머지 초점들은 한점에 모이도록 상기 반사 집속부재(200a, b)를 기울어지게 구비시키되, 모이는 점이 상기 기판이송부(300)의 상부면에 위치되도록 하는 것이다.
이렇게 하여 2개의 자외선 발생부를 구비시키면 1개의 자외선 발생부를 사용 할 때 기판 표면의 온도가 900 ~ 1000℃ 이던 것이 1200 ~ 1300℃ 까지 상승하여 기판에 자외선을 조사하는 시간을 줄일 수 있어서, 공정시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.
또한, 도 18에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비정질 실리콘 결정화 장치의 다른 실시예로 상기 자외선 발생부를 3개 구비시키는 것도 가능하다. 이때는, 상기 자외선 발생부 3개의 단면이 정삼각형을 이루도록 평행하게 구비시킨 후, 상기 자외선 발생부의 단면이 이루는 정삼각형의 중심이 상기 반사 집속부재(200)의 단면이 이루는 타원의 한 초점에 위치되도록 구비시킨다.
이렇게 하면 상기 3개의 자외선 발생부에서 발산되는 모든 빛과 복사열이 상기 반사 집속부재(200)에 의하여 기판에 조사되어 훨씬 강한 집속광을 얻을 수 있다. 3개의 자외선 발생부를 사용하는 경우에는 기판 표면의 온도를 1500℃ 이상으로 가열할 수 있다. 따라서 공정시간을 더욱 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의한 비정질 실리콘의 결정화 방법 및 비정질 실리콘 결정화 장치를 이용하여 비정질 실리콘 박막을 결정화 하여 다결정 실리콘 박막을 제조하면 기존의 고온 급속열처리 방법에 의한 결정화 시 야기되는 기판 크기의 한계를 극복하여, 대면적의 기판을 결정화할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 비정질 실리콘의 결정화 방법 및 비정질 실리콘 결정화 장치를 이용하면, 가열로(furnace)를 이용한 결정화 방법 시 필요한 장시간의 열처리를 극복하여 박막의 구조와 전기적 특성 등이 균일한 다결정 실리콘 박막을 만들 수 있기 때문에 보다 짧은 시간 동안에 대량의 다결정 실리콘 박막을 형성할 수 있는 장점이 있다. 또한 다결정화 공정의 생산 단가도 낮출 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의한 결정화 방법에 의하여 제조된 다결정 실리콘은 평판디스플레이, 태양전지, 반도체 소자 등의 제작에 응용될 수 있어서 그 응용분야가 매우 넓은 장점이 있다.

Claims (31)

  1. 절연기판 또는 절연막이 형성된 실리콘 웨이퍼 위에 비정질 실리콘 박막을 형성시키는 비정질 실리콘 박막 형성 단계;
    전자빔, 가시광 중 어느 하나를 이용하여 열원을 형성시키는 열원 형성 단계;
    상기 비정질 실리콘을 상기 열원에 노출시켜 상기 비정질 실리콘의 일부분을 결정화시키는 부분 결정화 단계; 및
    상기 부분 결정화 단계를 순차적으로 수행하여 상기 비정질 실리콘 박막을 연속적으로 결정화 시키는 순차적 결정화 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
  2. 제1항에 있어서 상기 열원 형성 단계는,
    상기 열원발생장치에 의하여 집속된 열원을 라인빔으로 형성시키는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
  3. 제2항에 있어서 상기 라인빔은,
    상기 열원 발생 장치의 타원형 반사경에 의해 집속되어 형성되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서 상기 라인빔은,
    그 폭이 1㎛ 내지 30mm 인 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서 상기 부분 결정화 단계는,
    상기 열원이 조사된 상기 비정질 실리콘 박막의 일부분이 액상으로 변화하고, 상기 액상이 고상으로 변화되어서 결정화되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
  7. 제1항에 있어서 상기 부분 결정화 단계는,
    상기 열원이 조사된 상기 비정질 실리콘 박막의 일부분이 가열되어 고체상태에서 결정질로 변화됨으로써 결정화 되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
  8. 제1항에 있어서 상기 부분 결정화 단계는,
    상기 열원이 조사된 상기 비정질 실리콘 박막의 일부분이 용융된 후 고상화 되면서 인접한 비정질 실리콘 박막이 연속적으로 결정화 되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 비정질 실리콘 박막 내부에 소정의 금속을 포함시킨 후 상기 부분 결정화 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 비정질 실리콘 박막의 표면 일부에 소정의 금속을 증착시킨 후 상기 부분 결정화 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 금속은 니켈 또는 코발트 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
  12. 제1항에 있어서 상기 순차적 결정화 단계는,
    기판 이송장치를 이용하여 상기 절연기판을 이송함으로써 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
  13. 제1항에 있어서 상기 순차적 결정화 단계는,
    열원발생장치 이송장치를 이용하여 상기 열원발생장치를 이송함으로써 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
  14. 제1항에 있어서 상기 비정질 실리콘 박막 형성 단계는,
    상기 비정질 실리콘 박막이 패터닝(patterning)되도록 하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
  15. 제1항에 있어서 상기 부분 결정화 단계는,
    상기 비정질 실리콘 박막의 일부에 다결정 실리콘을 형성시킨 후 상기 열원을 조사하여 상기 다결정 실리콘으로부터 결정화가 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘의 결정화 방법.
  16. 실리콘 결정화의 열원으로 사용되는 자외선을 발생시키는 자외선 발생부;
    상기 자외선 발생부에서 발생된 자외선을 반사 및 집속하도록 상기 자외선 발생부의 외부를 감싸도록 구비되되, 열반사경(hot mirror)으로 이루어지는 반사 집속부재;
    상기 자외선 발생부 및 반사 집속부재의 하부에 구비되며, 그 상부면에 실리콘 박막이 형성된 기판을 위치시켜 이송시키는 기판이송부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 결정화 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 자외선은,
    근자외선인 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 결정화 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 자외선 발생부는,
    소정 높이의 윈기둥 형상으로 구비되되, 원주면의 모든 방향으로 자외선을 방출하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 결정화 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 반사 집속부재는,
    그 단면의 형상이 타원의 일부분을 이루는 형상으로 구비되며, 상기 자외선 발생부는 그 타원의 한 초점에 위치되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 결정화 장치.
  20. 삭제
  21. 제16항 또는 제19항에 있어서,
    기판 이송부는 상기 반사 집속부재의 단면이 이루는 타원의 다른 초점이 그 상부면에 위치되도록 상기 자외선 발생부와 평행하게 구비되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 결정화 장치.
  22. 제16항에 있어서, 상기 기판 이송부는,
    기판을 소정 방향으로 이송시킬 수 있도록 콘베이어 벨트가 구비되는 구조인 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 결정화 장치.
  23. 제16항에 있어서, 상기 기판 이송부는,
    기판을 소정 방향으로 이송시킬 수 있도록 로울러가 구비되는 구조인 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 결정화 장치.
  24. 제16항에 있어서,
    상기 반사 집속부재의 외측에는 냉각부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 결정화 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 냉각부는,
    송풍팬을 상기 반사 집속부재에 인접하게 설치시키고, 공기를 순환시켜 상기 반사 집속부재 및 자외선 발생부를 냉각시키는 공냉식 냉각방식에 의하여 구동되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 결정화 장치.
  26. 제24항에 있어서, 상기 냉각부는,
    상기 반사 집속부재의 외측에 접촉하여 구비되어 상기 반사 집속부재를 지지하는 지지대 내부에 냉각수를 순환시켜 상기 반사 집속부재 및 자외선 발생부를 냉 각시키는 수냉식 냉각방식에 의하여 구동되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 결정화 장치.
  27. 제24항에 있어서, 상기 냉각부는,
    공냉식 냉각방식과 수냉식 냉각방식을 복합한 복합식인 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 결정화 장치.
  28. 제16항에 있어서, 상기 비정질 실리콘 결정화 장치에는,
    상기 기판이송부 상부에 상기 기판이송부와 평행하게 위치되되, 상기 반사 집속부재에 의하여 집속된 자외선이 통과할 수 있도록 소정 폭의 집속광 통과홈이 형성된 마스크가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 결정화 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 집속광 통과홈의 폭은,
    1㎛ 내지 30mm 인 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 결정화 장치.
  30. 제16항에 있어서, 상기 비정질 실리콘 결정화 장치에는,
    상기 자외선 발생부가 평행하게 2개가 구비되며, 상기 자외선 발생부 외부에 각각 그 단면의 형상이 타원의 일부인 반사 집속부재가 구비되되, 상기 각 자외선 발생부는 상기 반사 집속부재 단면이 이루는 타원의 한 초점에 각각 위치되며, 상기 반사 집속부재 단면이 이루는 타원의 나머지 초점이 상기 기판이송부 상부면의 한 지점에 위치하도록 상기 반사 집속부재를 서로 마주보도록 기울어지게 구비시키는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 결정화 장치.
  31. 제16항에 있어서, 상기 자외선 발생부는,
    3개의 자외선 램프가 정삼각형 형상을 이루도록 평행하게 구비되되, 3개의 자외선 램프가 이루는 중심이 상기 반사 집속부재의 단면이 이루는 타원의 한 초점에 위치되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 비정질 실리콘 결정화 장치.
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