KR20150010392A - 결정화된 실리콘의 검사 방법 및 장치 - Google Patents

결정화된 실리콘의 검사 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

저온 Poly-Si 공정에 적용되는 레이저 결정화된 실리콘의 검사 방법을 제공하는 것이다. 엑시머 레이저 어닐링 기술을 통해 절연 기판상의 형성된 결정화된 실리콘의 표면에서의 돌기들의 형상 및 크기로 인해 야기되는 미 산란 혹은 레일리 산란 현상의 특성을 고려하여 결정화된 실리콘의 표면의 결정 품질을 검사하는 결정화된 실리콘의 검사 방법 및 장치에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 결정화된 실리콘의 검사 장치는 LTPS(low-tmeperature poly Si) 공정을 통해 비정질 실리콘으로부터 변환되어 결정화된 실리콘을 검사하는 장치로서, 결정화된 실리콘이 안착되는 스테이지; 상기 결정화된 실리콘의 표면에 입사광을 조사하는 광원; 상기 입사광이 조사된 결정화된 실리콘의 표면에서 돌기들의 형상에 의해 반사되어 나오는 산란광의 색상 및 밝기 변화를 포착하는 카메라; 및 상기 카메라가 포착한 화상을 분석하여 불량 여부를 판별하는 판별부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

결정화된 실리콘의 검사 방법 및 장치{INSPECTION METHOD AND APPARATUS OF CRYSTALLIZED SILICON}
본 발명은 실리콘 검사 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저를 이용한 실리콘의 저온 결정화 공정에서 형성된 결정화된 실리콘의 검사 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 박막 트랜지스터들을 제조하는 기술의 진보로 인해, 보다 작고 훨씬 가볍고, 전력소모가 낮고, 전자파를 발생시키지 않는 액정 디스플레이(LCD) 및 유기발광 디스플레이(OLED)의 장점들로 인해, 액정 디스플레이 및 유기발광 디스플레이들은 스마트폰, 타블렛PC 및 디지털 카메라 등과 같은 각종 전자 제품에 폭넓게 적용된다. 또한 중국, 일본, 한국 등 각국에서 최근 연구 및 개발에 투자가 진행 중이며 대규모 제조 설비를 사용하기 때문에 제조 비용을 낮춤으로서 디스플레이 장치들의 대중화가 급격하게 증가되고 있다.
LTPS(low-tmeperature poly Si) 박막 트랜지스터는 소자의 빠른 이동도로 인해 다양한 형태의 디스플레이에 적용되고 있으며 디스플레이 제조자들은 점점 이와 같은 기술 분야를 필요로 하고 있다. 대량 생산 필요조건들 및 필름들의 품질을 고려하면 기판을 유리 재질로 사용하기 때문에 기존의 열처리 방식으로는 기판의 변형으로 인해 400℃ 이상의 온도를 높일 수 없는 한계가 발생하여 엑시머 레이저 어닐링(ELA, excimer laser annealing)이 LTPS 공정에 사용된다. 엑시머 레이저 어닐링 공정은 엑시머 레이저를 열원으로 사용하여 프로젝션 시스템을 통해 a-Si(비정질 실리콘, amorphous silicon)에 투사되는 균일한 에너지 분포를 지닌 레이저빔을 발생시킨다. 기판의 a-Si 구조가 엑시머 레이저의 에너지를 흡수하여 poly-Si 구조로 변환되며 이는 기판에 열적 데미지를 주지 않아 기존의 열처리 방식에 비해 우수한 장점을 가지고 있다.
위와 같은 LTPS 적용 시 형성된 poly-Si의 결정화 품질은 이후 공정에서 형성되는 각종 소자들의 특성에 직접적으로 영향을 미치며 전체 디스플레이 소자의 특성을 크게 좌우한다. 그러나 기판상의 결정화된 실리콘의 품질을 검사하는 장치들은 현재 많은 제약을 두고 있다. 그 중 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope;SEM)을 통해 알갱이(Grain)의 크기, 형상 및 분포를 검사할 수 있지만 샘플 분석을 위해 기판을 절단하고 샘플 표면처리를 필요로 하기 때문에 이 방법은 제조 라인상에서 직접 사용될 수 없고 기판 및 박막이 파괴되므로 샘플링 검사에만 사용될 수 있다. 기타 다른 방법으로 결정화된 실리콘의 품질 검사를 위한 장치들이 고안되었지만 검사 시간이나 결과 등 요구를 만족하는 결과를 나타내지 못하였으므로 LTPS 공정에서 결정화된 실리콘의 현재 검사 방법들을 개선하는 것이 시급하였다.
본 발명에 관련된 선행문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-0786673호(2007.12.11. 등록)가 있으며, 상기 문헌에는 다결정 실리콘 기판의 결정화도 측정방법, 이를 이용한 유기 발광 표시 장치의 제조방법 및 유기 발광 표시장치가 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 저온 Poly-Si 공정에 적용되는 레이저 결정화된 실리콘의 검사 방법을 제공하는 것이다. 엑시머 레이저 어닐링 기술을 통해 절연 기판상에 형성된 결정화된 실리콘의 표면에서의 돌기들의 형상 및 크기로 인해 야기되는 미 산란 혹은 레일리 산란 현상의 특성을 고려하여 결정화된 실리콘의 표면의 결정 품질을 검사하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 결정화된 실리콘의 검사 방법은 LTPS(low-tmeperature poly Si) 공정을 통해 비정질 실리콘으로부터 변환되어 결정화된 실리콘을 검사하는 방법으로서, (a) 스테이지 상에 결정화된 실리콘을 안착시키는 단계; (b) 광원을 통해 결정화된 실리콘의 표면에 광을 조사하는 단계; 및 (c) 상기 결정화된 실리콘의 표면에서 돌기들의 형상에 의한 산란광의 색상 및 밝기 변화를 카메라를 통해 포착하여, 결정화된 실리콘의 결정 품질을 검사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 결정화된 실리콘의 검사 장치는 LTPS(low-tmeperature poly Si) 공정을 통해 비정질 실리콘으로부터 변환되어 결정화된 실리콘을 검사하는 장치로서, 결정화된 실리콘이 안착되는 스테이지; 상기 결정화된 실리콘의 표면에 입사광을 조사하는 광원; 상기 입사광이 조사된 결정화된 실리콘의 표면에서 돌기들의 형상에 의해 반사되어 나오는 산란광의 색상 및 밝기 변화를 포착하며, 상기 산란광과 결정화된 실리콘의 표면이 10 ~ 30°를 갖는 위치에 형성되는 카메라; 및 상기 카메라가 포착한 화상을 분석하여 불량 여부를 판별하는 판별부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 결정화된 실리콘의 검사 방법 및 장치는 결정화된 실리콘의 표면에서 돌기들의 형상에 의해 초래되는 산란된 광의 색상 및 밝기 변화를 검사함으로써, 실리콘의 표면을 조사하는 광원 및 샘플 표면에서 돌기들에 의해 발생되는 광을 포착하는 카메라를 통해 실시간 및 비파괴적으로 결정화된 실리콘의 품질 검사를 실시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 검사 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 검사 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 CIE 1976 Lab 색좌표계를 이용하여 산란된 광의 세기 및 색상을 수치화하여 도시한 것이다.
도 4는 카메라에 포착된 산란광의 화상이다.
도 5는 도 4의 화상에 선을 그어 선상에 위치한 픽셀을 선택하여 픽셀 정보를 추출할 수 있도록 나타낸 것이다.
도 6은 도 5의 선상에 위치한 픽셀에 대해 RGB색의 밝기를 추출하여 컴퓨터 소프트웨어를 이용하여 정규화한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 결정화된 실리콘의 검사 장치 및 이를 이용한 검사 방법에 관하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 검사 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실리콘 검사 장치(100)는 결정화된 실리콘(1)에 광을 조사하는 스테이지(10), 광원(110), 산란광의 색상 및 밝기 변화를 포착하는 카메라(120) 및 불량을 판별하는 판별부(130)를 포함한다.
결정화된 실리콘(1)은 엑시머 레이저 어닐링(ELA) 기술을 통해서 레이저 빔으로 유리 기판과 같은 절연 기판상의 비정질 실리콘에 조사하여 결정화되도록 하는 공정을 통해 형성된다.
결정화된 실리콘(1)의 결정 품질은 표면에서 돌기들의 형상에 의해 산란된 광 변화들에 의해 검사된다. 예를 들어, 산란된 광 세기 및 색상이 색좌표계에 표시되고 표시된 위치가 일정 영역 이상에 위치할 때 결정 품질이 우수하다는 것을 나타낸다.
따라서, 레이저 에너지가 결정 조건들과 최적일 때, 결정화된 실리콘(1)의 표면에 형성된 돌기들은 균일하고 규칙적인 형상으로 된다는 것이 밝혀졌는데, 형상의 방향은 레이저의 주사 방향과 수직하고 돌기들의 2개의 라인들 간의 공간은 약 2500~3300Å이다. 그러나 조사된 레이저 에너지의 불균일 정도나 일정하지 못한 스캔 속도 등에 의해 모든 위치에서 규칙적인 형상으로 나타나는 것은 아니며, 조건에 따라 불규칙적인 형상으로 발생되는 경우가 존재한다.
결정화된 실리콘(1) 표면에 형성된 돌기의 규칙, 불규칙 정도에 따라 미 산란 혹은 레일이 산란에 의해 나타나는 색상과 유사한 색상을 나타낸다. 또한, 스캔 속도가 일정하지 않은 경우에는 결정화되지 않는 부분이 발생하게 되며 이 경우, 이 위치에서 생성된 패널은 불량으로 처리된다.
광원(110)은 스테이지(1) 상에 안착된 결정화된 실리콘(1)에 백색광을 조사한다. 이때, 광원(110)에서 조사하는 입사광(20)과 후술할 산란광(30)이 10 ~ 30°를 갖는 위치에 광원(110)이 형성되는 것이 바람직하다.
광원(110)이 입사광(20)과 산란광(30)의 각도가 10° 미만인 위치에 형성될 경우에는, 카메라(120)와 광원(110)간의 간격이 너무 가까워져 산란광(30)을 카메라(120)가 제대로 포착하기 힘들다. 반대로, 광원(110)이 입사광(20)과 산란광(30)의 각도가 30°를 초과하는 위치에 형성될 경우에는, 산란광(30)이 카메라(120) 방향으로 산란되지 않는 문제점이 발생한다.
카메라(120)는 광원(110)으로부터 조사된 백색광이 결정화된 실리콘(1)의 표면에서 돌기들의 형상에 의해 산란되어 나오는 산란광(30)의 색상 및 밝기 변화를 포착한다. 이때, 카메라(120)는 결정화된 실리콘(1)의 표면과 산란광(30)이 10 ~ 30°를 갖는 위치에 형성되는 것이 바람직하다.
카메라(120)가 결정화된 실리콘(1)의 표면과 산란광(30)의 각도가 10° 미만인 위치에 형성되거나, 30°를 초과하는 위치에 형성될 경우에는 산란광(30)의 색상이 선명하지 못해 불량을 정확하게 판단하기 어렵다.
판별부(130)는 카메라(120)를 통해 포착된 화상을 컴퓨터로 전송하여 산란된 광의 색상 및 밝기를 포착한 후, 화상들의 색좌표 변환 및 분석을 실시하여 결정화된 실리콘(1)의 불량 여부를 판별할 수 있다. 이에 따라, 공정라인 내에서 실시간 및 비파괴적으로 결정화된 실리콘(1)의 품질 검사가 이루어짐으로써, 최적화 공정을 실시할 수도 있다.
판별부(130)를 통한 실리콘(1)의 불량 여부 판단은 광의 색상 및 밝기를 통해 판별할 수 있다. 실리콘(1)의 표면에 불규칙적인 돌기들이 많을수록 산란된 광들의 색상은 녹색에 가까워지고 밝기가 감소한다. 반대로, 실리콘(1)의 표면에 규칙적인 돌기들이 많을수록 푸른색을 나타내고 밝기가 증가한다. 또한, 포착된 화상을 CIE 1976 Lab 색좌표계를 이용하여 결정화된 실리콘(1)의 품질 판단이 가능하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 검사 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 검사 방법은 스테이지 상에 결정화된 실리콘을 안착하는 단계(S110), 가시광원에 의해 결정화된 실리콘의 표면에 광을 조사하는 단계(S120) 및 결정화된 실리콘의 표면에서 돌기들의 형상에 의한 산란광의 색상 및 밝기 변화를 카메라를 통해 포착하여, 결정화된 실리콘의 결정 품질을 검사하는 단계(S130)를 포함한다.
결정화된 실리콘의 표면에 형성된 돌기들은 비정질 실리콘 필름의 두께, 필름의 표면에 형성된 실리콘 산화물의 두께 및 레이저 결정의 분위기와 같은 비정질 실리콘의 결정 조건들과 최적 관련되도록 레이저 에너지가 증가될 때, 균일하고 규칙적인 형상의 결정이 형성될 수 있다.
따라서, 스테이지 상에 결정화된 실리콘을 안착하는 단계(S110)를 통해, 결정화된 실리콘을 안착시킨다. 이때, 광원과 카메라도 적절한 위치에 형성되도록 조절하는 것이 바람직하다. 이 후, 결정화된 실리콘의 표면에 광을 조사하는 단계(S120)를 통해 광원에서 결정화된 실리콘에 백색광을 조사한 후, 결정화된 실리콘의 표면에서 돌기들의 형상에 의한 산란광의 색상 및 밝기 변화를 카메라를 통해 포착한다. 카메라를 통해 포착된 화상을 통해 결정화된 실리콘의 결정 품질을 검사하는 단계(S130)를 실시한다.
카메라가 포착한 산란된 광들의 색상은 규칙적인 돌기가 많이 생성될수록 푸른색을 나타내고 밝아지며, 불규칙한 돌기가 많이 생성될수록 녹색 색상에 가까워지고 밝기 또한 감소한다. 이에 따라, 결정화된 실리콘의 검사를 실시할 수 있다.
또한, 결정화된 실리콘의 불량 여부를 판별하는 단계(S140)를 더 포함할 수 있다. 상술한 단계(S110 ~ S130)를 통해 결정화된 실리콘의 검사를 실시할 수 있으며, 그 결과에 따라 결정화된 실리콘의 불량 여부를 판별하는 것이 바람직하다.
도 3은 CIE 1976 Lab 색좌표계를 이용하여 산란된 광의 세기 및 색상을 수치화하여 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 결정화된 실리콘(도1의 1)의 표면에 백색광을 조사하면 결정화된 실리콘 표면에 형성된 돌기들의 형상에 의해 산란광의 색상 및 밝기가 다르게 나타난다.
보다 상세하게는, 산란된 광의 색상 및 세기가 -b*으로 이동할 수록 L*이 100에 가까울수록 산란된 광은 더욱 푸르고 밝은 쪽을 나타낸다. 결정화된 실리콘의 돌기들의 배열이 규칙적인 영역이 많아질수록 산란광의 파장은 푸른빛을 띄고 밝기가 밝아지며, 돌기들의 배열이 불규칙적인 영역이 많아질수록 색상은 녹색으로 이동되고 밝기 또한 감소된다.
즉, 돌기들의 배열이 규칙적인 영역이 많을수록 결정화된 실리콘의 품질이 우수하며 불규칙적인 영역이 많을수록 결정화된 실리콘의 품질이 저하되므로, 산란된 광의 세기 및 색상을 CIE 1976 Lab 색좌표계를 이용하여 L*과 b*으로 표시하여 결정화된 실리콘의 품질 판단이 가능하다.
도 4는 카메라에 포착된 산란광의 화상이고, 도 5는 도 4의 화상에 선을 그어 선상에 위치한 픽셀을 선택하여 픽셀 정보를 추출할 수 있도록 나타낸 것이며, 도 6은 도 5의 선상에 위치한 픽셀에 대해 RGB색의 밝기를 추출하여 컴퓨터 소프트웨어를 이용하여 정규화한 것이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 카메라(도1의 120)가 포착한 산란광의 화상은 색좌표 변환 및 분석을 위해 컴퓨터로 입력된다. 컴퓨터로 입력된 화상에 선을 그어 선상에 위치한 픽셀을 선택하여 픽셀 정보를 추출한다. 선택된 픽셀에 대해 RGB색의 밝기를 추출하여 컴퓨터 소프트웨어를 이용하여 정규화한 후 정규화된 픽셀 밝기 정보를 판단하여 일정 이하의 값을 가질 경우 결정화가 이루어지지 않거나 품질이 매우 저하된 부분으로 판단하여 불량 영역으로 결정한다.
이 방법을 이용하여, 결정된 불량 영역은 엑시머 레이저 어닐링 기술 적용 시, 레이저의 스캔 속도와 레이저 펄스간의 불일치로 나타나는 영역인 것으로 판단할 수 있으며, 이는 엑시머 레이저 장치에 이상 발생 여부에 대한 판단이 가능해진다.
따라서, 본 발명에 따른 결정화된 실리콘의 검사 장치를 통한 검사 방법을 통해, 결정화된 실리콘의 품질에 대해 실시간으로 모니터링이 가능하며, 레이저 공정상의 결함 여부를 판단할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
1 : 결정화된 실리콘 10 : 스테이지
20 : 입사광 30 : 산란광
100 : 결정화된 실리콘의 검사 장치
110 : 광원 120 : 카메라
130 : 판별부
S110 : 스테이지 상에 실리콘은 안착하는 단계
S120 : 실리콘 표면에 광을 조사하는 단계
S130 : 실리콘의 결정 품질을 검사하는 단계
S140 : 실리콘의 불량 여부를 판별하는 단계

Claims (9)

  1. LTPS(low-tmeperature poly Si) 공정을 통해 비정질 실리콘으로부터 변환되어 결정화된 실리콘을 검사하는 장치로서,
    결정화된 실리콘이 안착되는 스테이지;
    상기 결정화된 실리콘의 표면에 입사광을 조사하는 광원;
    상기 입사광이 조사된 결정화된 실리콘의 표면에서 돌기들의 형상에 의해 반사되어 나오는 산란광의 색상 및 밝기 변화를 포착하며, 상기 산란광과 결정화된 실리콘의 표면이 10 ~ 30°를 갖는 위치에 형성되는 카메라; 및
    상기 카메라가 포착한 화상을 분석하여 불량 여부를 판별하는 판별부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화된 실리콘의 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검사 장치는 결정화된 실리콘의 품질에 대해 실시간으로 모니터링이 가능한 것을 특징으로 하는 결정화된 실리콘의 검사 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 검사 장치는 결정화된 실리콘의 품질에 대해 비파괴적으로 모니터링이 가능한 것을 특징으로 하는 결정화된 실리콘의 검사 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광원은
    상기 입사광과 산란광이 10 ~ 30°를 갖는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 결정화된 실리콘의 검사 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 판별부는
    상기 카메라에 포착된 산란광을 색좌표로 변환하여 수치화하는 것을 특징으로 하는 결정화된 실리콘의 검사 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 판별부는
    상기 카메라에 포착된 화상의 픽셀 정보를 추출하여 정규화 한 후, 부분적인 결정화 품질을 결정하는 것을 특징으로 하는 결정화된 실리콘의 검사 장치.
  7. LTPS(low-tmeperature poly Si) 공정을 통해 비정질 실리콘으로부터 변환되어 결정화된 실리콘을 검사하는 방법으로서,
    (a) 스테이지 상에 결정화된 실리콘을 안착시키는 단계;
    (b) 광원을 통해 결정화된 실리콘의 표면에 광을 조사하는 단계; 및
    (c) 상기 결정화된 실리콘의 표면에서 돌기들의 형상에 의한 산란광의 색상 및 밝기 변화를 카메라를 통해 포착하여, 결정화된 실리콘의 결정 품질을 검사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화된 실리콘의 검사 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 카메라가 포착한 산란광은
    상기 결정화된 실리콘의 표면에 규칙적인 돌기가 많을수록 푸른색을 나타내고 밝아지며, 불규칙한 돌기가 많을수록 녹색을 나타내고 밝기도 감소하는 것을 특징으로 하는 결정화된 실리콘의 검사 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후,
    (d) 상기 결정화된 실리콘의 불량 여부를 판별하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화된 실리콘의 검사 방법.
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